مروری بر دستگاه OTDR

دستگاه OTDR چیست؟

مطابق با فرهنگ تشریحی اصطلاحات علمی Harry Newton، واژه OTDR  ، انعکاس (بازتاب) سنج نوری درحوزه زمان معنی می‌شود. در این مقاله در نظر داریم تا مروری کوتاه بر سازوکار دستگاه OTDR داشته باشیم.
‌ واژه OTDR کوتاه شده عبارت  (optical time-domain reflectometer ) بوده و معرف ابزار یا دستگاهی اپتوالکترونیکی ، جهت توصیف، مشخصه‌یابی و ارزیابی فیبرهای نوری است. به عبارت دیگر ، ابزار OTDR  را می‌توان معادل اپتیکی دستگاه الکترونیکی بازتاب‌سنج درحوزه زمان در نظر گرفت . دستگاه OTDR دارای منبع نوری لیزر دیود بوده که پالس‌های اپتیکی (نوری) را به درون فیبر نوری ارسال می‌کند . همچنین دارای یک آشکارساز یا گیرنده نوری حساس (فوتودیود) است که پالس‌های نوری پراکنده شده یا منعکس (بازتاب) شده از ساختار داخلی فیبر نوری را آشکار می‌کند.
شدت یا دامنه پالس‌های نوری ثبت شده توسط گیرنده نوری مذکور، در دستگاه OTDR پردازش و برحسب زمان میانگین گرفته می‌شود و در نهایت به عنوان تابعی از طول مسیر فیبر نوری در قالب یک نمودار نمایش داده می‌شوند.

از نمودار رسم شده توسط دستگاه OTDR می‌توان برای تخمین و سنجش طول مسیر فیبر نوری و میزان تلفات کلی که عمدتاً شامل تلفات فیوژن (اتصال و پیوند هسته دو فیبر نوری به واسطه ذوب شدن هسته‌ها در یکدیگر) و تلفات کانکتورها و کوپلرها است، استفاده شود. همچنین می‌توان مکان شکستگی‌ها و خم شدن بیش از حد فیبر نوری که خود عامل بسیار مهم در افزایش تلفات است را مشخص کرد.
همان‌طور که در تصور شکل (۱) مشخص است، یکی از دو انتهای فیبر نوری به قسمت فرستنده و گیرنده نوری دستگاه OTDR متصل می‌شود (فرستنده و گیرنده نوری در یک مکان قرار دارد و با آرایش خاصی کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند). جهت اطمینان بیشتر به نمودار رسم شده و ارزیابی تلفات فیبر نوری، بهتر است هر دو انتهای فیبر نوری جداگانه توسط دستگاه OTDR بررسی و از نتایج به دست آمده میانگین‌ گرفته شود. البته امروزه با توجه به تکنولوژی پیشرفته تولید فیبرهای نوری می‌توان از دو بحث همگنی (homogeneous) و هم‌سویه (Isotropic) بودن ساختار هسته فیبر نوری اطمینان حاصل کرد و تست OTDR را تنها یک بار انجام داد.

OTDR قابل حمل مدل FTB-400

همان‌طور که پیش‌تر اشاره شد، دستگاه OTDR علاوه بر قسمت‌های الکترونیکی و فوتونیکی، شامل قسمت‌هایی جهت پردازش و محاسبه اطلاعات است که نتایج را به صورت گرافیکی در قالب یک نمودار در صفحه نمایش تعبیه شده روی دستگاه نمایش می‌دهد. با اینکه دستگاه OTDR تمامی این کارها را به صورت خودکار انجام داده و اطلاعات را به کاربر نمایش می‌دهد، استفاده صحیح و تفسیر دقیق اطلاعات ارائه شده نیازمند تخصص و تجربه فنی است.

OTDR چگونه کار می‌کند؟

همانطور که می‌دانید توان‌سنج‌های نوری که خود می‌توانند شامل فرستنده سیگنال نوری با توان مشخص و یک گیرنده نوری باشند، به طور مستقیم با با سنجش میزان افت توان سیگنال اپتیکی در یک فیبر نوری، مقدار تلفات طول مسیر را اندازه‌گیری می‌کنند . دستگاه OTDR که به منظور ارزیابی یک مسیر یا لینک فیبر نوری مورد استفاده قرار می‌گیرد، به طور غیر مستقیم از پدیده‌ای خاص می‌تواند عامل تلفات در طول مسیر فیبر نوری باشد ، استفاده می‌کند. می‌توان گفت که اساس کار دستگاه اپتوالکترونیکی OTDR بسیار شبیه به مکانیزم سیستم رادار است. به بیانی ساده، یک سیستم راداری ابتدا امواج الکترومغناطیسی در فرکانس‌های رادیویی و مایکروویو را ارسال و سپس امواج بازتابیده و یا پراکنده شده توسط اجسام مختلف در محیط را دریافت می‌کند. با پردازش امواج دریافتی می‌توان به اطلاعات بسیار زیادی از محیط پیرامون رادار دست پیدا کرد.

در دستگاه OTDR نیز به مشابه رادار، امواج الکترومغناطیسی با فرکانس‌های اپتیکی یا به زبان ساده‌تر پالس‌های اپتیکی به درون محیط فیبر نوری ارسال شده و سپس سیگنال یا امواج بازگشتی بازتابیده و یا پراکنده شده) دریافت و پردازش) می‌شوند. این عمل بارها تکرار شده و اطلاعات حاصله پس از پردازش‌های مربوطه و متوسط‌گیری به صورت یک نمودار نمایش داده می‌شود. همان‌طور که پیش‌تر اشاره شد، نمودار مذکور میزان شدت یا دامنه پالس اپتیکی بر حسب زمان را به صورت تابعی از مکان نمایش می‌دهد. عبارت Time Domain در تعریف واژه OTDR از این حیث به کار می‌رود که دامنه پالس‌های اپتیکی برحسب زمان ( تابعی از زمان ) محاسبه می‌شود.

با عبور نور یا سیگنال اپتیکی از یک فیبر نوری، بخشی از آن توسط عاملی موسوم به پراکندگی رایلی (Rayleigh scattering) پراکنده شده و از دست می‌رود. می‌توان گفت که پراکندگی رایلی عامل پراکندگی نامنظم نور در طول مسیر فیبر نوری است. پراکندگی رایلی در علم فیزیک، پراکندگی نور و یا سایر امواج الکترومغناطیسی به واسطه ذراتی که اندازه‌شان از مقدار طول موج کمتر است، تعریف می‌شود. این ذرات می‌توانند ناخالصی‌های یک ماده و یا حتی اتم‌ها در مولکول‌های یک جسم باشد. همان‌طور که می‌دانید، طول موج به صورت رابطه  λ= c/v  با فرکانس موج رابطه دارد که در آن c  سرعت نور در محیط می‌باشد.

با توجه به پارامترهای فرستنده و گیرنده نوری، می‌توان شدت و یا میزان پراکندگی رایلی را طول مسیر مشخص کرد. هر چه طول موج سیگنال‌های اپتیکی کوتاه‌تر باشد، شدت پراکندگی رایلی برای آنان بیشتر است. به طور مثال در طول موج مخابراتی 1310nm شدت پراکندگی رایلی بسیار بیشتر از طول موج مخابراتی 1550nm است. این امر با توجه به تعریف پراکندگی رایلی که در فوق ارائه شد، کاملاً مورد انتظار است. به عبارت دیگر، یک موج الکترومغناطیسی و یا پالس اپتیکی با طول موج بزرگ که در طول مسیر فیبر نوری در حال حرکت است، ذرات بسیار کوچک که عامل پراکندگی رایلی هستند را در مقابل خود احساس نمی‌کند. اما اگر طول موج کوچک شود که به منزله کاهش عرض پالس اپتیکی است، آنگاه اندازه و تاثیر ذرات موجود در محیط محسوس‌تر می‌شود.

دستگاه اپتوالکترونیکی OTDR با استفاده از پراکندگی رایلی، خصوصیات یک مسیر یا لینک فیبر نوری را بررسی می‌کند. در واقع، دستگاه OTDR به ثبت و پردازش نور یا سیگنال‌های پراکنده شده حاصل از پراکندگی رایلی می‌پردازد. از آنجایی نور در تمامی جهات پراکنده می‌شود، برخی از این سیگنال‌های پراکنده در جهت برگشت یا خلاف سیگنال ارسالی به سمت منبع نوری باز می‌گردند. سیگنال‌های برگشتی در این حالت به backscatter موسوم هستند . (شکل )

بدیهی است که میزان نور BackScatter شده نسبتی از سیگنال ارسال شده به درون فیبر نوری است. دستگاه OTDR پالس‌ یا سیگنال‌های اپتیکی با توان مناسب را به درون فیبر نوری کوپل کرده و سپس میزان سیگنال‌های نوری پراکنده شده به فرم BackScatter را اندازه‌گیری می‌کند. این عمل به صورت مکرر انجام شده که نتایج آن در قالب نمودار بیان می‌شود.
علاوه بر ذرات تشکیل دهنده ساختار هسته فیبر نوری، کانکتورها و نقاط فیوژن شده نیز تاثیر زیادی بر افت توان در طول مسیر یک لینک فیبر نوری داشته و باعث تغییراتی در شدت یا توان نور BackScatter شده می‌شوند. از آنجایی که نمودار رسم شده توسط دستگاه OTDR، تابعی از طول مسیر فیبر نوری است، مکان نقاط فیوژن شده، شکستگی‌ و ترک در هسته فیبر و سایر عوامل افت توان، قابل تشخیص است.
نوری که OTDR آن را در هر نقطه زمانی ثبت و پردازش می‌کند، نور و یا پالس پراکنده شده‌ از ناحیه‌های مختلف در طول مسیر فیبر نوری است.

چه مواقعی از دستگاه OTDR استفاده می‌کنیم؟

از آنجایی که دستگاه‌های OTDR علی‌رغم کاربردهایی خاص و محدود، دارای قیمت‌های بالایی هستند، انتخاب و خرید نوع مناسب آن‌ها حائز اهمیت است. همچنین تشخیص زمان مناسب جهت استفاده از دستگاه‌های OTDR بسیار مهم بوده که نیازمند دانش تخصصی و تجربه فنی کافی است.
فرض کنید که در حال طراحی و ایجاد یک شبکه گسترده پهن‌باند WAN با زیرساخت فیبر نوری هستیم. از آنجایی که فاصله بین مکان‌های مختلف (ناحیه‌های مختلف شبکه) بسیار زیاد است، ما نیاز داریم تا فیبرهای نوری را با استفاده از تکنیک فیوژن به یکدیگر اتصال دهیم. در اینجا استفاده از دستگاه OTDR جهت تست کیفیت نقاط فیوژن شده و همچنین کیفیت فیبرهای نوری استفاده شده، امری مفید و حتی ضروری است.
همانطور که پیش‌تر نیز اشاره شد، از دستگاه‌های OTDR می‌توان برای تشخیص نقاط شکستگی ناشی از خم شدن بیش از حد فیبر نوری یا نقص ذاتی هسته‌های فیبر نوری استفاده کرد. به عبارت دیگر بهتر است که قبل از شروع فرآیند کابل‌کشی (عملیات پسیو فیبر نوری)، تمامی فیبرهای نوری را توسط دستگاه OTDR مناسب، بررسی و کنترل کیفیت کرد.
پیش‌تر بیان کردیم که از نمودار رسم شده توسط دستگاه OTDR می‌توان مکان‌ نقاطی که دارای تلفات هستند را در طول مسیر فیبر نوری، مشخص کرد. در نتیجه استفاده از دستگاه OTDR در زمان‌هایی که کیفیت سیگنال به دلیل خرابی‌های پیش آمده در طول مسیر فیبر نوری افت شدیدی پیدا می‌کند، جهت تشخیص و پیدا کردن مکان خرابی، امری مفید است.
در فیبرهای نوری سینگل مد، اتصال کوپلرها یا کانکتورها باید با دقت بسیار بالا و در محیطی عاری از گرد و غبار و چربی صورت گیرد. همان‌طور که می‌دانید در صورتی که کانکتور به صورت مناسبی متصل نشود، باعث بازگشت سیگنال در جهت عکس شده که خود ممکن است به فرستنده نوری آسیب وارد کند. جهت کنترل کیفیت و تشخیص درستی اتصال کانکتورها به فیبرهای نوری نیز می‌توان از دستگاه OTDR استفاده کرد.
از آنجایی که اساس کار دستگاه‌های OTDR بر پایه پراکندگی نور یا به طور دقیق‌تر Back Scattering است، از دستگاه‌های OTDR نمی‌توان جهت محاسبه دقیق یا مقدار واقعی افت توان در طول مسیر یک لینک فیبر نوری استفاده کرد. در واقع ویژگی اصلی و منحصر به فرد دستگاه‌های OTDR‌ در تشخیص مکان‌هایی است که باعث افت توان می‌شوند. دقت داشته باشید که OTDR نمی‌تواند میزان افت واقعی و دقیق توان را به شما نشان دهد. جهت محاسبه افت توان در طول مسیر یک لینک مخابراتی فیبر نوری بهتر است که از توان‌سنج‌های مخصوص این کار استفاده کنید.
یکی از موارد بسیار مهم در استفاده صحیح از دستگاه‌های OTDR، توجه به مقدار مسافتی است که دستگاه می‌تواند پوشش دهد. به عبارت دیگر مقدار بزرگی یا اندازه شبکه WAN و ناحیه‌های مختلف آن مهم است.

انتخاب صحیح دستگاه OTDR

همان‌طور که پیش‌تر بیان کردیم، جهت محاسبه طول مسیر و کنترل کیفیت سیگنال‌های داده (اطلاعات) یک لینک مخابراتی فیبر نوری، استفاده از دستگاه‌های OTDR بهترین انتخاب است. با استفاده از دستگاه OTDR می‌توان تشخیص مناسبی از مکان شکستگی‌ها، نقاط فیوژن شده داشت و کیفیت کانکتورها را بررسی کرد. با این حال با توجه به قیمت بسیار زیاد دستگاه‌های OTDR، انتخاب صحیح و مناسب آن حائز اهمیت است.
جهت انتخاب و تهیه یک دستگاه OTDR مناسب می‌توان به نکات مهم ذیل توجه کرد:
⦁    تعیین محدوده طول موجی دقیق (850/1300nm برای فیبرهای نوری مالتی مد و 1310/1550nm برای فیبرهای نوری سینگل مد)
⦁    تعیین محدوده پویا (dynamic range) و انتخاب تجهیزات مناسب با ناحیه مرده (dead zone) کوچک
⦁    دقت نمونه‌برداری (Sampling Resolution)
⦁    تعیین آستانه عبور یا عدم عبور (Thresholds Pass/Fail)
⦁      گزارش‌دهی (Reporting)

محدوده پویا (Dynamic Range)

بر اساس فرهنگ تشریحی اصطلاحات علمی Harry Newton، محدوده پویا یا بازه دینامیکی به صورت زیر تعریف می‌شود:
⦁    در یک سیستم انتقال (مخابراتی)، نسبت سطح بار اضافی به سطح نویز سیستم که معمولاً در واحد دسی‌بل بیان می‌شود، به محدوده پویا (dynamic range) موسوم است.
در خصوص دستگاه‌های OTDR، محدوده پویا تعیین می‌کند که دستگاه مذکور تا چه مقدار می‌توان تلفات کلی فیبر نوری را آنالیز و طول مسیر لینک مخابراتی فیبر نوری را محاسبه کند. بدیهی است که هرچه محدوده پویا بالاتر باشد، دقت دستگاه OTDR بیشتر بوده و دستگاه قادر به تعیین طول مسیر بیشتری خواهد بود.
محدوده پویا دستگاه مذکور باید با دقت بسیار مناسبی با توجه به دو نکته زیر تعیین شود:
⦁    در اکثر موارد تولید کنندگان دستگاه‌های OTDR  محدوده پویا برای دستگاه تولید شده را به روش‌های مختلفی‌ نظیر دامنه پالس، نسبت سیگنال به نویز، زمان متوسط و … تعیین می‌کنند. درک و فهم دقیق هر کدام از روش‌های مذکور حائز اهمیت بوده و نباید آن‌ها را از یک دید مقایسه کرد.
⦁    بهتر است تا میزان محدوده پویا بین 5 تا 8dB بیشتر از حداکثر افت تعیین شده یا مد نظر طراح شبکه باشد. در صورتی که مقدار محدوده پویا ناکافی باشد، نمی‌توان به اطلاعات ارائه شده توسط دستگاه OTDR اطمینان داشت. به عبارت دیگر دستگاه در تعیین دقیق طول مسیر لینک فیبر نوری و محاسبه تلفات نقاط فیوژن شده، کانکتورها، شکستگی‌ها و … ناتوان خواهد بود.
به عنوان مثال  یک دستگاه OTDR سینگل مد با محدوده پویا 35dB موردی مناسب جهت کنترل کیفیت یک لینک فیبر نوری با محدوده افت توان 30dB است. با فرض اینکه به طور متوسط افت توان فیبر نوری در هر کیلومتر در طول موج استاندارد 1550nm حدود 0.2dB و فاصله بین نقاط فیوژن شده 2km و افت توان هر نقطه فیوژن شده 0.1dB باشد، دستگاه OTDR مذکور تا 120km توانایی پرازش دقیق اطلاعات را دارد.
اگر از دستگاه OTDR با محدوده پویا 26dB برای یک لینک فیبر نوری با  حداکثر توان تلف شده 21dB در صورتی که افت توان فیبر نوری در هر کیلومتر در طول موج استاندارد 1300nm حدود 0.5dB و از دو کانکتور با افت توان 1dB استفاده شود، دستگاه OTDR مذکور تا 38km توانایی پردازش دقیق اطلاعات را خواهد داشت.

ناحیه مرده (Dead Zones)
ناحیه مرده یکی از ویژگی‌های مهم دستگاه‌های OTDR می‌باشد که در اندازه‌گیری‌ها بسیار اثر گذار است. ناحیه مرده فاصله‌ای است که در آن گیرنده یا آشکارساز دستگاه OTDR، پس از اندازه‌گیری یک بازتاب یا BackScatter قوی به حالت اشباع می‌رسد.
ناحیه مرده دارای دو مشخصه یا حالت زیر است:
⦁    ناحیه مرده رخداد (Event Dead Zone): حداقل فاصله‌ای است که در آن دستگاه OTDR می‌تواند رخداد یک بازتاب در پی یک رخداد بازتاب دیگر را آشکار کند.
⦁    ناحیه مرده تضعیف (Attenuation Dead Zone): مقدار فاصله‌ای را بیان می‌کند که آشکارساز دستگاه OTDR در پی یک رخداد بازتاب، قبل از یک رخداد بازتاب دیگر، باید احیا یا فعال شود.

نمایش ناحیه مرده روی نمودار رسم شده توسط دستگاه OTDR

اکثر تولید کنندگان تجهیزات فیبر نوری، ناحیه مرده رخداد را فاصله‌ای در نظر می‌گیرند که از شروع بازتاب تا نقطه -1.5dB روی لبه افت آن (مطابق با شکل فوق) امتداد دارد. در خصوص ناحیه مرده تضعیف نیز، مطابق با شکل فوق، در حدود 0.5dB از مقدار توان برگشتی (توان نور BackScatter)، آشکارساز دستگاه OTDR باید دوباره احیا شود. ناحیه مرده تضعیف حدودا بازه‌ای 10 تا 25 متری دارد.

دقت نمونه‌برداری (Sampling Resolution)

دقت یا وضوح نمونه‌برداری در دستگاه OTDR، حداقل فاصله بین دو نقطه متوالی نمونه‌برداری شده در طول مسیر فیبر نوری است. منظور از نقطه نمونه‌برداری شده نقاطی هستند که نور BackScatter شده گیرنده دستگاه OTDR می‌رسد. بدیهی است که هر چه دقت مذکور بیشتر باشد، دستگاه OTDR در پیدا کردن مکان دقیق عوامل افت توان کارآمدتر خواهد بود. دقت نمونه‌برداری بسته به شدت یا دامنه پالس و مقدار طول مسیر فیبر نوری متفاوت است.

تعیین آستانه عبور یا عدم عبور (Thresholds Pass/Fail)

این امر بیشتر متوجه کاربری است که از دستگاه OTDR استفاده می‌کند. به بیانی ساده، کاربر می‌تواند استانه افت توان را برای موارد دلخواه نظیر افت فیوژن‌ها و کانکتورها تنظیم کند. به عبارت دیگر حساسیت دستگاه OTDR و میزان دقت نمودار رسم شده و اطلاعات گزارش‌ شده توسط دستگاه متناسب با نیاز شبکه قابل تنظیم است. این امر در جهت صرفه‌جویی زمان در بازرسی یک شبکه فیبر نوری بسیار مفید است.

پس پردازش (Post-Processing) و گزارش‌دهی (Reporting)

یکی از موارد مهم برای یک طراح یا مهندس ناظر صرفه‌جوبی در زمان است. برخی از دستگاه‌های OTDR خود اطلاعات را دسته‌بندی و پردازش کرده و در اختیار کاربر می‌گذارند. این امر جهت بررسی و ارسال سریع گزارش‌ها بسیار مفید است.

نمودار خروجی OTDR

طور خلاصه می‌توان گفت که نمودار مذکور که بارها در متن از آن یاد کردیم، نسبت توان نوری بازگشتی (BackScatter شده) به توان ورودی (کوپل شده به فیبر) را نشان می‌دهد.
شکل (5): نمایشی از نمودار خروجی دستگاه OTDR
در شکل فوق یا به طور کلی نمودار خروجی دستگاه‌های OTDR، مقیاس محور عمودی لگاریتمی بوده و مقدار سیگنال برگشتی‌ را برحسب دسی‌بل نشان می‌دهد. محور افقی نیز، بیانگر فاصله دستگاه OTDR و نقطه اندازه‌گیری در فیبر نوری است. به طور خلاصه می‌توان گفت که شکل موج بازگشتی دارای چهار مشخصه به شرح ذیل است که در شکل (5) نیز مشخص هستند:
⦁      یک پالس یا پیک بزرگ اولیه که حاصل بازتاب فرنل در ابتدای ورودی فیبر نوری.
⦁    یک نمودار میرا شده ناشی از پراکندگی رایلی که در امتداد طول فیبر افت پیدا می‌کند.
⦁    پیک‌هایی ناگهانی ناشی از تلفات در نقاط فیوژن شده یا کانکتورها.
⦁    یک پیک بزرگ ناشی از بازتاب فرنل در انتها (خروجی) فیبر نوری.
لازم به ذکر است که بازتاب فرنل در زمانی رخ می‌دهد که نور در مسیر انتشار خود، وارد محیطی دیگر با ضریب ‌شکست متفاوت شود.