Faseroptik. Ortsauflösende Fasermesstechnik (OTDR) Testat:...

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1 Faseroptik Versuch FO 04 Fachbereich SciTec Masterstudiengang Laser- und Optotechnologien Laborpraktikum Ortsauflösende Fasermesstechnik (OTDR) Set:... Praktikumsgruppe:... Teilnehmer: Datum:... Testat: Unterschrift 1. Versuchsziel In diesem Versuch soll der Umgang mit ortsauflösender Lichtleitfaser-Messtechnik praktiziert werden. Die Ortsauflösung optischer Verluste wird durch zeitabhängige Rückstreu- bzw. Reflexionsmessungen (Optical Time Domain Reflectometry - OTDR) von Lichtimpulsen erreicht. Dem Versuchsteilnehmer sollen dabei das Messprinzip mit seinen Vor- und Nachteilen, sowie der Einfluss verschiedener, gewollter und nicht gewollter Störgrößen auf die Messung näher gebracht werden. Dabei wird in vorliegendem Versuch das Vermessen verschiedener Singlemode Lichtleitfasern (SM-LLF) näher betrachtet. Der Versuchsaufbau und die Dokumentation wurden von Studenten des Fachbereiches Feinwerktechnik, Masterstudiengang Laser- und Optotechnologien (Silvio Bierschenk und Lars Runge) im Rahmen ihrer Belegarbeit in der Abteilung Faseroptische Systeme am IPHT Jena unter fachlicher Anleitung des Leiters der Arbeitsgruppe Fasergitter-Sensorsysteme, Dr. Wolfgang Ecke, erstellt und erprobt. 2. Einführung 2.1. Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus OTDR (Optical Time Domain Reflectometry) ist ein Messverfahren zur Vermessung von Lichtwellenleiterstrecken. Das Messprinzip ist in folgender Abbildung dargestellt: LASER Detektor Impulsgenerator U(t) t Abb.1: Messanordnung Seite 1

2 Von einem Laser werden kurze Pulse in die Faser hinein gesendet und anschließend wird das rücklaufende Signal gemessen. An auftretenden Reflexionen (z.b. Steckverbindungen, Endreflex am Faserende durch Glas-Luft-Übergang) wird ein deutlicher Anteil der Lichtleistung zurückreflektiert und kann so mit einem Detektor aufgenommen werden. Darüber hinaus wird aufgrund von Rayleigh-Streuung an jeder Stelle der Faser ein kleiner Lichtanteil zurückgestreut. Hierdurch ergibt sich ein kontinuierliches Empfangssignal. Jede Faser weist eine unterschiedlich starke Rückstreuung auf. Monomodefasern haben sehr geringe Dotierkonzentrationen. Der Brechungsindex des Kerns ist nur leicht gegenüber dem des Mantels erhöht. Monomodefasern haben somit einen sehr geringer Rückstreukoeffizient (und damit auch eine geringe Faserdämpfung). 2.2 Das OTDR Messsignal Vermisst man die Koppelstelle zweier unterschiedlicher Fasern, so muss beachtet werden, dass deren unterschiedliche Rückstreukoeffizienten das Ergebnis verfälschen können. Weist etwa die hintere Faser den geringeren Rückstreukoeffizienten auf, so sinkt im OTDR Diagramm der gesamte Pegel dieser Kurve gegenüber dem der ersten Kurve ab. In diesem Fall würde eine zu große Stecker-/Spleiß-Dämpfung ermittelt werden. Eine korrekte Dämpfungsbestimmung ist in einem solchen Fall nur durch Messung von beiden Seiten und anschließende Mittelwertbildung (inkl. Vorzeichen) der beiden Spleißdämpfungen möglich. Auch die Art der Steckverbindung spielt eine entscheidende Rollen beim vermessen von Fasern. Wird eine FC/PC-Steckverbindung (FC = fiber connector; PC = physical contact) verwendet, so sind die Faserenden im Stecker gerade gebrochen. Das OTDR-Messgerät wird also an der Steckverbindung ein Rückstreuimpuls zeigen. Wird eine FC/APC-Steckverbindung (APC = angled physical contact) verwand, so sind die Faserenden im Stecker schräg gebrochen, was zum fast vollständigen Auskoppeln des Lichtes aus dem einen Faserende und zum fast vollständigen Wiedereinkoppeln in das andere Faserende führt. Dies Steckverbindung weist dann geringe Verluste auf, liefert aber fast keinen Rückstreuimpuls und ist somit im OTDR nicht detektierbar. Auch E2000-Stecker gibt es mit gerade gebrochenen und schräggebrochenen Faserenden. Dies ist in diesem Versuch zu berücksichtigen. Folgendes Bild zeigt ein typisches OTDR-Messsignal. Abb.2: Typisches Messsignal Abb.3: Endfläche von PC und APC Steckern Zunächst tritt am Anfang der Faser ein Anfangsreflex am Stecker des Messgeräts auf. Dieser Effekt führt zu einer sogenannten Totzone am Faseranfang, in deren Bereich die Faser nicht vermessen werden kann. Um eine Faser vollständig untersuchen zu können, wird häufig eine Vorlauffaser zwischen Gerät und Messfaser geschaltet. Diese Faser liefert einen Anfangsreflex. Die eigentlich zu vermessende Faser wird an die Anfangsfaser angekoppelt und liefert ebenfalls einen Reflexionspeak im empfangenen Signal. Die eigentliche Messung wird dann zwischen den beiden Peaks vorgenommen. Das in der halblogarithmischen Darstellung linear abfallende Rückstreusignal ermöglicht eine direkte Dämpfungsbestimmung der Faser durch Messung des linearen Anstiegs. Im Fall einer Steckerverbindung tritt aufgrund des Luftspalts ein Reflexionsstoß auf. Im Bereich eines Schmelzspleißes ist die Reflexion meist vernachlässigbar, dort tritt allerdings eine gewisse Dämpfung a Sp auf, die durch den Abstand der beiden angelegten Geraden (siehe Abb.2) bestimmt werden kann. Seite 2

3 Am Faserende ist deutlich der Endreflex zu sehen, der aufgrund des Übergangs von Glas auf Luft zustande kommt Versuchsvorbereitung 1.) Erarbeiten Sie sich die Grundlagen für die Versuche! 2.) Machen Sie sich mit dem Ablauf des Praktikums vertraut! 3.) Berechnen Sie folgende Aufgabe: Auf einer 100 km langen optischen Signalübertragungsstrecke, realisiert durch eine Lichtleitfaser mit dem Brechzahlindex von n = 1,467 ist es zu einem Faserbruch gekommen. Durch das Verfahren der ortsaufgelösten, optischen Rückstreumesstechnik soll die genaue Position der lokalen Störstelle ermittelt werden. Das sich vom Rückstreusignal deutlich abgrenzende Reflexionssignal des in die Signalübertragungsstrecke eingekoppelten Messlichtimpuls benötigt bis zum Austreten aus seiner Einkoppelstelle eine Laufzeit von t = 38,6 µs. Wie viel Meter Lichtleitfaser sind es bis zu dem Faserbruch? 3. Versuchsdurchführung Sicherheitshinweise: Vor dem Um- bzw. Anstecken einer Faser ist der Laser mittels der Taste Pause abzuschalten. Beim anschließenden Betätigen der Taste Monitor wird der Laser wieder angeschaltet! Nichtbenötigte Stecker und Kupplungen sind durch Schutzkappen vor Verschmutzung und Beschädigung der Oberflächen zu schützen! Messvorbereitung: Schritt 1: Machen Sie sich mit dem OTDR- Gerät mit Hilfe der Bedienungsanleitung vertraut und schließen Sie die Faserspule 1 (Totzone) an den FC/PC-Eingang unterhalb des Deckels (Aufschrift Caution ) an. Schritt 2: Machen Sie sich mit den verschiedenen Betriebsarten des OTDR- Gerätes vertraut (Tasten: Monitor, Average und Pause). Schritt 3: Ermitteln Sie durch Probieren (Taste: Puls) eine der Faserlänge entsprechend sinnvolle Lichtimpulsdauer. Diese ist dann erreicht, wenn ein gut definierbarer Rückstreuimpuls sichtbar ist. Der am deutlichsten ausgeprägte Impuls stellt den definierten Startimpuls für die Folgemessungen dar. Messdurchführung 1: Lokale Störstellen Schritt 4: Die Faserspule 2 ist mittels einer FC/PC- Kupplung mit der Faserspule 1 zu verbinden. Mittels der Markerfunktion kann die Länge zwischen zwei Impulsen ausgemessen werden. Dazu sind: - das Verfahren LOSS/ORL anzuwählen (LED s unterhalb der Taste: Marker) und - die beiden Kursoren mittels der Taste: Marker und der Drehscheibe auf die entsprechenden Impulse zu stellen. Abb. 4 FC/PC Kupplung - Die vom OTDR ermittelte Länge ist in vorgesehener Tabelle 1 zu protokollieren. Schritt 5: Verbinden Sie nun Faserspule 3 mit Faserspule 2 und protokollieren Sie die ermittelte Länge der Faserspule 3. Schritt 6: Das an der Faserspule 3 befestigte Faserende ist nun unterschiedlich zu präparieren: Seite 3

4 - Faserende gerade brechen (Faserbrechgerät vom Versuch FO3) - Faserende schräg brechen (Keramikschere) - Faserende erneut gerade brechen und das Ende mit einem Tropfen Immersionsgel versetzen - gerader Bruch mit anschließender Aufrauung der Endfläche durch Schmirgelpapier. Die Folgen auf den Endreflex sind zu protokollieren. Arbeitsschritte zur Präparation einer Faser Mantel = Coating Cladding Abb.5: Prinzipieller Aufbau einer Lichtleitfaser Zum Präparieren der Faser ist ihr Ende mit der Millerzange ca. 30 mm zu entmanteln (entcoaten). Danach ist der entmantelte Teil mit einem alkoholgetränkten Zellstofftupfer zu reinigen. Bevor nun die Faser in das Brechgerät EFC11eingelegt wird, sind die Hebel 1 und 3 in obere Anschlagstellung und Hebel 4 in Position rechts oben zu bringen (Abb. 6). Danach ist die Faser so in das Brechgerät EFC11 einzulegen, dass der entcoatete Faserteil an mit Pfeil 2 gekennzeichneter Stelle beginnt. Abb. 6 Anschließend ist die eingelegte Faser zu fixieren durch Schließen der Klappe 6 und einer 90 Rechtsdrehung von Verriegelung 5 (Abb. 7). Durch eine 90 Rechtsdrehung von Hebel 4 wird die Faser gespannt Abb. 7 Abb. 8 Abb. 9 Über Position des Hebels 7 wird entschieden, ob die Faser schräg oder gerade gebrochen werden soll, wobei oberer Anschlag Gerader Bruch (Abb.8 und unterer Anschlag Schrägbruch bedeuten (Abb.9). Abschließend ist der Brechvorgang auszulösen durch Kippen des Hebels 1 in unterer Anschlagstellung. Der Faserabfall ist in dem vorgesehenen Abfallbehälter zu entsorgen! Seite 4

5 Schritt 7: Faserspule 3 ist durch Faserspule 4 zu ersetzen, und an die Faserspule 4 ist mittels der E2000- Kupplung (Abb. 10) Faserspule 5 anzuschließen. Dabei ist am OTDR-Messgerät ein Effekt zu beobachten. Protokollieren Sie die Länge der Faserspulen 4 und 5. Abb.10 E2000-Stecker und -Kupplung Messdurchführung 2: Faserverluste Schritt 8: Faserspulen 2, 4 und 5 sind zu entfernen und durch die Faserspulen 4 und 6 zu ersetzen. Hierbei ist im Monitorbetrieb eine sinnvolle Lichtimpulsdauer zu wählen. Im Gegensatz zu Schritt 3 liegt das Hauptaugenmerk nicht auf den Reflexions-Peaks der Faserendflächen sondern auf dem Signalverlauf des Rückstreulichtes der Faser (SNR). Danach ist in den Average-Betriebsmodus zu schalten und nach Ablauf der Messung wieder mit Hilfe der Marker die Dämpfung der Faser von Spule 2 und Spule 6 zu ermitteln. Um den Messfehler durch das Rauschen zu minimieren sind von mindestens 5 Einzelmessungen der Mittelwert zu bilden, welcher wiederum in Tabelle 1 zu notieren ist. Faserspule Nr. ermittelte Faserlänge in m ermittelter Mittelwert der Faserdämpfung in db/km 2 6 Tab.1.: Messwerte Jena, den Dr. Wolfgang Ecke Institut für Photonische Technologien (IPHT) e.v. Jena Bereich Optische Fasern und Faseranwendungen, Abteilung Faseroptische Systeme Tel: , Fax: -297, wolfgang.ecke@ipht-jena.de Seite 5