Światłowody stanowią coraz większy odsetek w przeprowadzanych instalacjach sieciowych. Wynika to z zapotrzebowania na obsługę aplikacji o wyższych przepustowościach zarówno w centrach danych jak i przy budowie szkieletu sieci. Medium światłowodowe stanowi również bazę we wdrożeniach usług 5G i FTTX oferowanych przez dostawców sieci.
Okablowanie miedziane nadal dominuje przy realizacji okablowania poziomego, gdzie niewiele urządzeń wymaga przepustowości większej niż 10 Gb/s, a wiele jest zasilanych przez PoE. Zapotrzebowanie na okablowanie światłowodowe pojawia się wszędzie tam, gdzie prędkości sięgają 40 i 100 Gb/s i więcej lub tam, gdzie wymagane są większe odległości, odporność na zakłócenia i bezpieczeństwo.
Według ostatnich badań, wielkość światowego rynku światłowodów ma osiągnąć wartość 6.9 mld USD do 2024 roku, wzrastając z 4.3 mld USD w 2019 roku.
Z racji tego, że wdrożenia światłowodów stają się coraz bardziej powszechne, właściciele i administratorzy sieci zwracają większą uwagę na dwa kluczowe parametry przy ich testowaniu – OLTS (ang. Optical Loss Test Set) i OTDR (ang. Optical Time Domain Reflectometer), którym będzie poświęcony ten artykuł.
OLTS zapewnia najbardziej dokładny pomiar tłumienności wtrąceniowej IL (ang. Insertion Loss) na łączu, wykorzystując źródło światła na jednym końcu i miernik mocy na drugim, aby zmierzyć dokładnie, ile światła wychodzi z przeciwległego końca. Parametr ten jest wymagany do testowania włókien zgodnie z normami branżowymi. Zarówno TIA jak i ISO używają terminu ”Tier 1” do opisywania testu OLTS.
OTDR charakteryzuje straty w łączu dla poszczególnych spawów i złączy. Test odbywa się poprzez wysyłanie impulsów światła do włókna i pomiar ilości światła odbitego od każdego impulsu. Jest zalecany do testowania włókien zgodnie z normami branżowymi. Niezbędny dla pojawiających się aplikacji jednomodowych o krótkim zasięgu i niezwykle cenny jako część kompletnej strategii testowania. Test OTDR i OLTS jest określany jako ”Tier 2” w ramach normy TIA i ”rozszerzonej” ISO.
Chociaż pomiary wydają się podobne to pełnią różne, ale ważne funkcje. W artykule wyjaśniamy jak odczytywać zmierzone parametry OLTS i OTDR oraz ich powiązanie, aby zapewnić wysoką wydajność medium światłowodowego oraz zadowolenia użytkowników.
OLTS niezbędny do dokładnego badania strat wtrąceniowych
OLTS jest podstawą do testowania okablowania światłowodowego, ponieważ zapewnia najdokładniejszą metodę określenia całkowitej straty w badanym łączu. Jest wymagany przez normy branżowe, co zapewnia gwarancję spełnienia wymagań dotyczących strat dla danej aplikacji. Test jest wykonywany przy użyciu źródła światła, wytwarzającego ciągłą falę o określonej długości i podłączonego do jednego końca światłowodu. Do przeciwległego końca łącza światłowodowego podłączony jest miernik mocy z fotodetektorem. Detektor mierzy moc optyczną przy tych samych długościach fal wytwarzanych przez źródło światła. Współpraca tego sprzętu umożliwia określenia całkowitej ilości utraconego światła.
Pomiary OLTS wykorzystują źródło światła na jednym końcu łącza i miernik mocy na drugim. Mierniki takie jak CertiFiber™ Pro maksymalizują szybkość testowania poprzez jednoczesne testowanie dwóch włókien (dupleks) przy użyciu źródła światła i miernika mocy na każdym końcu. Wspólnie określają one całkowitą ilość światła straconego na łączu.
Normy branżowe określają limity strat wtrąceniowych dla określonych aplikacji światłowodowych, co jest kombinacją budżetu strat i długości. Zgodnie z wymaganiami norm TIA 568-3.D i ISO/IEC 14763-3 dla testowania światłowodów warstwy 1, straty mierzone za pomocą OLTS są porównywane z limitami strat wtrąceniowych dla danego zastosowania, co pozwala określić pomyślność pomiarów.
Źródła światła/ mierniki mocy LSPM (ang. Light Source/ Power Meter) również dokładnie mierzą straty zgodnie z wymaganiami stawianymi przez normy. Nie zawierają jednak kluczowych funkcji takich jak test dupleks, dwukierunkowe testowanie, wstępne ładowanie limitów strat, pomiar długości i inne. Długość jest szczególnie ważna, ponieważ limity aplikacji są kombinacją budżetu strat i maksymalnej długości. Mierniki takie jak CertiFiber™ Pro mierzą zarówno straty, jak i długość, zapewniając jednoznaczny wynik pass/ fail, który zapewni wsparcie aplikacji.
Wyniki dostarczone przy pomiarze OLTS pokazują długość włókna (w tym przykładzie dwa) i całkowitą stratę światła w dB.
W przypadku testowania światłowodów wielomodowych, w których występują zarówno mody niższego rzędu (światło przechodzące w pobliżu rdzenia włókna), jak i mody wyższego rzędu (światło przechodzące bliżej powłoki), które są z natury niestabilne, normy wymagają stosowania źródła światła zgodnie ze standardem EF (ang. Encircled Flux). EF jest metodą charakteryzującą warunki uruchamiania wielomodowego źródła światła jako dioda LED lub laser. Kontroluje liczbę grup modów docierających do kabla, zapewniając najbardziej precyzyjne, dokładne i powtarzalne pomiary.
Normy zalecają również stosowanie metody pomiarowej z jednym kablem referencyjnym (ang. 1-jumper) podczas testowania OLTS, ponieważ obejmuje ona straty dla obu końców łącza, co symuluje sposób, w jaki okablowanie będzie ostatecznie wykorzystywane. Metoda jednego kabla referencyjnego odnosi się do przewodu startowego zgodnego z EF od miejsca, w którym łączy się on ze źródłem światła do miejsca, w którym łączy się on z miernikiem mocy. Metoda dwóch kabli (ang. 2-jumper) odnosi się do połączenia pomiędzy dwoma złączami kabli referencyjnych i w rezultacie uwzględnia tylko jedno połączenie końcowe w pomiarze strat, zapewniając tylko częściowe przedstawienie całkowitych strat. Metoda trzech kabli referencyjnych (ang. 3-jumper) odwołuje się do dwóch złączy referencyjnych, wykluczając pomiar start obu testowanych połączeń końcowych. W przypadku testowania połączeń ze złączami nieobsługiwanymi przez sprzęt pomiarowy wymaga się zastosowania metody dwóch lub trzech kabli referencyjnych.
Parametry istotne dla rozwijających się aplikacji
W przeciwieństwie do OLTS, który mierzy ilość światła wychodzącego ze źródła, OTDR analizuje ilość światła odbitego z powrotem do źródła. Obliczając różnicę między ilością odbić na bliskich i dalekich końcach, OTDR wnioskuje o wielkości strat w światłowodzie. OTDR używa specjalnych impulsowych diod laserowych do przesyłania wysokiej mocy impulsów świetlnych do włókna. Jeśli impuls podróżuje w dół włókna, większość światła podróżuje również w tym kierunku. Wysokie wzmocnienie detektorów światła mierzy każde światło, które jest odbijane od każdego impulsu. OTDR wykorzystuje te pomiary do wykrywania zdarzeń w światłowodzie, które zmniejszają lub odbijają moc nadawanego impulsu. Niewielka część impulsu światła jest również rozpraszana w innym kierunku ze względu na standardową strukturę włókna oraz niewielkich uszkodzeń w szkle. To zjawisko rozproszenia światła przez zanieczyszczenia we włóknie nazywane jest rozpraszaniem wstecznym (ang. backscattering).
Kiedy impuls światła napotyka połączenia, przerwy, pęknięcia, spawy, wyraźne zagięcia lub koniec włókna, następuje odbicie z powodu zmiany współczynnika załamania światła. Odbicia te nazywane są odbiciami Fresnela. Ilość światła odbitego, nie licząc rozproszenia wstecznego, w stosunku do impulsu źródłowego nazywana jest współczynnikiem odbicia (ang. reflectance). Jest on wyrażany w jednostkach dB i zwykle przyjmuje niekorzystne wartości dla pasywnych układów optycznych, z wartościami bliższymi 0, świadczącymi o wyższym współczynniku odbicia, gorszym połączeniu i większych stratach. Ten pomiar jest taki sam jak strata odbiciowa RL (ang. Return Loss), która jest wyrażana jako wartość dodatnia i wskazuje na ilość sygnału, który został utracony. RL porównuje moc wejściową do mocy wyjściowej w przeciwieństwie do reflektancji, która zestawia moc wyjściową z ilością światła odbitego. Zarówno dla reflektancji jak i strat odbiciowych, im wartość jest bardziej oddalona od zera, tym lepiej.
Dlaczego tak ważnym parametrem obok współczynnika tłumienia IL jest reflektancja? Otóż współczynnik odbicia odgrywa coraz większe znaczenie w przypadku nowych aplikacji, bazujących na światłowodach jednomodowych o krótkim zasięgu: 100GBASE-DR, 200GBASE-DR4 i 400GBASE-DR4. Jeszcze do niedawna aplikacje wykorzystujące światłowody jednomodowe miały większy budżet strat niż wielomodowe: 6.3 dB dla 100 Gig (100GBASE-LR4) w porównaniu do 1.9 dB dla 100 Gig (100GBASE-SR4). Aktualnie dla obecnych zastosowań nie jest to już prawdą. Nowe aplikacje wymagają nie tylko większej świadomości w zakresie wymagań przy niższych stratach wtrąceniowych IL, jak również w limitach dotyczących współczynnika odbicia.
Transceivery wielomodowe są wyjątkowo tolerancyjne na odbicia w porównaniu z transceiverami jednomodowymi. Faktem jest, że zbyt duże odbicie spowodowane przez laser jednomodowy o dużej mocy może zniszczyć transceiver. Z uwagi na to dla nowych zastosowań jednomodowych o krótkim zasięgu, IEEE określa limity strat wtrąceniowych IL w oparciu o liczbę i współczynnik odbicia połączeń. Jak widać na rysunku zamieszczonym poniżej, dla aplikacji 100GBASE-DR4 z czterema złączami o współczynniku odbicia pomiędzy -45 a -55 dB, straty wtrąceniowe wynoszą 3.0 dB (zaznaczenie na czerwono). Po dodaniu czterech złączy o współczynniku odbicia pomiędzy -35 a -45 dB, straty wtrąceniowe spadają do 2.7 dB (zaznaczenie na żółto). Należy jednak mieć na uwadze, że o ile specjalistyczny OLTS może mierzyć współczynnik odbicia, to większość mierzy stratę odbiciową, która ma wartość dodatnią. OTDR mierzy współczynnik odbicia, który jest liczbą ujemną i wartością określaną przez standardy IEEE.
Dla powstających aplikacji jednomodowych o krótkim zasięgu standardy IEEE określają współczynnik tłumienia IL w oparciu o liczbę i współczynnik odbicia połączeń.
OTDR, czyli wszystko o uzyskiwanej charakterystyce
OTDR wyświetla wyniki śledzenia przez wykreślenie odbitego i wstecznego rozproszonego światła w zależności od odległości wzdłuż włókna. Zasadniczo charakteryzuje wszelkie zdarzenia w łączu światłowodowym. Ślady OTDR mają kilka cech wspólnych. Większość śladów zaczyna się od początkowego impulsu wejściowego, który jest wynikiem odbicia Fresnela, występującego w połączeniu do OTDR. Po tym impulsie, śladem OTDR jest krzywa nachylona w dół i przerywana stopniowymi przesunięciami. Postępowe spadki wynikają ze strat wtrąceniowych lub rozproszenia wstecznego w momencie przemieszczania się światła wzdłuż włókna. Zakłócane są gwałtownymi przesunięciami, które reprezentują odchylenie śladu w danym kierunku, w górę lub w dół. Przyczyną zmian lub defektów punktowych są zwykle złącza, spawy lub przerwy. Koniec włókna może być zidentyfikowany przez duży skok, po którym ślad spada drastycznie w dół osi Y. Na koniec, impulsy wyjściowe na końcu śladu OTDR wynikają z odbicia zachodzącego na wyjściu czoła światłowodu, zwanego zdarzeniem technicznie nieistniejącym ”ghost”.
Jak można zauważyć na śladzie zamieszczonym poniżej, oś Y reprezentuje poziom mocy, a oś X pokazuje odległość. Czytając wykres od lewej do prawej, wartości rozproszenia wstecznego zmniejszają się, ponieważ strata wzrasta wraz ze wzrostem odległości. Interpretacja śladu OTDR może wydawać się na początku dość trudna, ale nie musi tak być. Niektóre zaawansowane OTDY-y automatycznie interpretują ślad i dostarczają szczegółową graficzną mapę zdarzeń.
Typowy ślad OTDR, pokazujący długość, stopniowy spadek natężenia światła i zdarzenia (A) złącza OTDR. Uwaga – duży współczynnik odbicia uniemożliwia scharakteryzowanie strat w pierwszym złączu. Użyto włókien rozbiegowych (startowych) o długości około 300 stóp (90 metrów), umożliwiających scharakteryzowanie pierwszego złącza (B) w testowanym torze optycznym. Punkt (C) odzwierciedla dwa złącza, które są zbyt blisko siebie, aby OTDR prawidłowo scharakteryzowało straty w każdym z nich. (D) to przypadek strat bez odbicia – prawdopodobnie uszkodzony spaw lub złącze APC. (E) pokazuje typowe złącze UPC z odbiciem i stratami. (F) przedstawia złącze z odbiciem, gdzie sygnał za złączem jest silniejszy niż przed nim, często nazywany ”gainer”. Sytuacja ta wskazuje na połączenie włókien o różnych właściwościach rozpraszania wstecznego. (G) to koniec włókna z silnym odbiciem, które uniemożliwia stwierdzenie, czy jest tam złącze i jak ono działa
W trakcie pomiarów OTDR testowanie odbywa się dwukierunkowo, gdyż straty określonych złączy i spawów zależą od kierunku testu. Nawet kiedy połączone zostają połączone włókna tego samego typu (np. OM3, OM4, itd.) to mogą się trochę różnić i mieć inny współczynnik rozpraszania wstecznego, co może powodować większą ilość światła do odbicia po połączeniu niż przed nim. Gdy OTDR jest wykonywany tylko w jednym kierunku to zmierzono wartość strat może być mniejsza niż rzeczywista lub nawet ujemna (”gainer”). Podobnie przy testowaniu w drugim kierunku, gdzie mniej światła zostaje odbitego po połączeniu wartość zmierzonych strat może być większa niż faktyczna. Z tych powodów testy OTDR wykonywane są dwukierunkowo, a wyniki strat uśrednione w celu uzyskania dokładniejszych wyników. W trakcie tego pomiaru ważne jest, aby nie odłączać włókien startowych i odbiorczych od testowanych włókien, aby zachować te same ustawienia dla obu kierunków i dokładność wyników. Testery takie jak OptiFiber Pro ułatwiają testowanie dwukierunkowe, które jest przeprowadzane z jednego końca, z wykorzystaniem pętli na dalszym końcu łącza dupleksowego. Dwa odczyty są automatycznie uśredniane by wskazać finalną wartość strat.
OTDR – wartość otrzymanej charakterystyki
OTDR jest często postrzegany jako narzędzie do rozwiązywania problemów i ceniony przy lokalizowaniu zdarzeń, odpowiadających za brak wydajności instalacji po jej uruchomieniu. Scharakteryzowanie całego łącza OTDR podczas wstępnego testowania gwarantuje kilka korzyści zarówno dla administratora jak i użytkownika oraz dostarcza informacje, umożliwiające weryfikację pomiarów OLTS.
OLTS wylicza całkowitą stratę całego łącza w najbardziej dokładny i powtarzalny sposób, zgodnie z wymaganiami norm branżowych. Otrzymany wynik PASS/ FAIL wskazuje, czy łącze mieści się w maksymalnym dopuszczalnym tłumieniu wtrąceniowym dla danej aplikacji. Mimo to konkretne straty zdarzenia są całkowicie niewidoczne, co oznacza, że dobre połączenie może kryć te złe. Dlaczego ma to znaczenie?
Łącze światłowodowe może zawierać kilka złączy i/lub spawów, które często wykonywane są przez różnych specjalistów. Pojawiające się w wyniku złego wykonania lub instalacji brudne połączenia, mikropęknięcia, makrozgięcia są przyczyną pojawiających się zakłóceń. Otrzymana charakterystyka OTDR umożliwia dokładne określenie lokalizacji każdego błędu i prawidłowości wykonania instalacji. Weryfikacja zapewnia o jakości prac oraz spełnieniu postawionych wymagań dla okablowania, będącego bazą dla obecnych i przyszłych aplikacji. Dzięki temu wyeliminowane zostają nieplanowane zdarzenia wynikające z błędów instalacyjnych i złego zarządzania okablowaniem. Pomiar OTDR pozwala technikom w łatwy sposób zidentyfikować wszelkie wątpliwe punkty w badanych połączeniach, wymagające uwagi ze względu na szczeliny powietrza, niedopasowanie złączy/włókien, brud czy inne przyczyny. Może również pojawiać się taka sytuacja, że łącze pomimo przejścia testu na straty nadal nie będzie przekierowywać ruchu sieciowego z powodu problemów z odbiciem, co może zostać wykryte tylko przez OTDR. Po więcej informacji odsyłamy tutaj.
Powszechne wymagania mówią, że strata związana ze spawem nie powinna być większa niż 0.3 dB, a strata związana ze złączem nie powinna być większa niż określona w specyfikacji producenta (zazwyczaj 0.2 dB – 0.5 dB). Rygorystyczne wymagania o tłumienności wtrąceniowej powodują, że identyfikacja lokalizacji i strat określonych zdarzeń w łączu światłowodowym staje się istotniejsza niż kiedykolwiek. Zwłaszcza, że całkowita strata może wzrosnąć z biegiem czasu z powodu złej instalacji okablowania, degradacji spawów, zanieczyszczenia powierzchni włókien czy utraty mocy z powodu wieku nadajnika.
Charakterystyka łączy światłowodowych przy użyciu OTDR potwierdza również ilość istniejących połączeń w ramach łącza, czego nie da się uzyskać przy OLTS. Informacja ta może być przydatna przy identyfikacji, gdy link zawiera zbyt wiele punktów połączeń krzyżowych lub połączonych łączy, co może spowodować przekroczenie limitów strat łącza end-to-end dla danej aplikacji.
Kombinacja OLTS i OTDR
Czy używając OTDR do testowania światłowodów, OLTS jest nadal potrzebny? Otóż, odpowiedź brzmi tak.
Wykorzystanie OLTS jest wymogiem stawianym przez standardy branżowe w celu zapewnienia zgodności aplikacji, ponieważ dokładnie mierzy on całkowitą tłumienność wtrąceniową. Zastosowanie OTRD nie zastępuje OLTS, ponieważ całkowity pomiar tłumienności wtrąceniowej osiągnięty za pomocą OTDR jest wydedukowanym obliczeniem, które niekoniecznie przedstawia całkowitą tłumienność, jaka wystąpi na łączu, gdy będzie ono aktywowane. Zwłaszcza w przypadku światłowodów wielomodowych, gdzie normy precyzyjnie określają kontrolowane warunki startu a testy OTDR nie są tak dokładne i powtarzalne jak OLTS.
Podczas testowania lub uruchamiania znacznej liczby łączy różnica prędkości pomiędzy OLTS i OTDR staje się istotnym problemem. Wysokowydajny OLTS, taki jak CertiFiber Pro pozwala mierzyć łącze dupleksowe przy dwóch długościach fal w czasie poniżej 3 sekund. Nawet szybki OTDR, taki jak OptiFiber Pro zajmuje co najmniej 12 sekund, by móc scharakteryzować światłowód. Jednak w celu uzyskania dokładnego pomiaru, test OTDR należy wykonać jeszcze w odwrotnym kierunku. Zostaje to ułatwione dzięki funkcji SmartLoop™ OptiFiber Pro, która wykonuje to w dodatkowe 12 sekund plus czas na zamianę włókien startowych, co daje całkowity czas testowania co najmniej dziesięć razy dłuższy niż przy użyciu OLTS.
Z drugiej strony można zadać pytanie, czy stosując OLTS i otrzymując pozytywny wynik, należy stosować OTDR? Tutaj, odpowiedź na to pytanie nie jest takie prosta.
Po pierwsze, ważne jest, aby zrozumieć, że należy przestrzegać specyfikacji danego projektu. Jeśli wymagania obejmują charakterystykę OTDR (Tier 2 w normach TIA i rozszerzonych normach o testowaniu ISO/IEC) wówczas OTDR jest rzeczywiście zalecony wraz z testowaniem tłumienności OLTS. Jeśli nie jest to określone, testowanie OTDR nie jest technicznie wymagane, ale jest wysoce rekomendowane zarówno przez standardy branżowe, jak i ekspertów ze względu na wartość otrzymanej charakterystyki i wyliczenia współczynnika odbicia w pojawiających się zastosowaniach jednomodowych o krótkim zasięgu. W rzeczywistości, ze względu na coraz mniejsze budżety strat i mniejsze przyzwolenie na błędy, wielu właścicieli sieci i projektantów ustala nie tylko ogólny budżet strat, ale także budżety strat dla poszczególnych spawów i złączy, które można zweryfikować tylko za pomocą OTDR.
Ponadto zaleca się wykonanie charakterystyki OTDR przed testowaniem tłumienności wtrąceniowej OLTS. Możliwość pomiaru liczby, lokalizacji i wydajności każdego spawu i złącza za pomocą OTDR umożliwia korygowanie problemów w trakcie instalacji, poprzedzając końcowy pomiar strat wtrąceniowych z OLTS przed uruchomieniem. Co więcej, finalne wyniki testów strat wtrąceniowych OLTS są wymagane by potwierdzić prawidłowość wykonania i działania okablowania. W przypadku, gdy test się nie powiedzie i problem będzie rozwiązany z użyciem OTDR, trzeba będzie wykonać ponownie pomiar z OLTS. Niezależnie od tego, czy oba testy zostają przeprowadzone zgodnie z zaleceniami, czyszczenie i inspekcja wizualna złącz światłowodowych jest konieczna przed testowaniem.
OLTS i OTDR z zintegrowaną dokumentacją
Nie tylko OLTS i OTDR uzupełniają się wzajemnie dla kompletnej strategii testowania, ale stanowią poświadczenie w postaci kompleksowej dokumentacji dla techników. Śledzenie zdarzeń jak i pomiary całkowitych strat, które potwierdzają prawidłowość wykonania instalacji zabezpiecza wykonawców w przypadku pojawienia się problemów z wydajnością.
Ponadto, posiadanie dokumentacji dla każdego łącza daje technikom i klientom punkt odniesienia podczas rozwiązywania i lokalizacji problemów. Na przykład, porównując oryginalny ślad uzyskany podczas testowania z nowym śladem, można łatwo zweryfikować, czy do nowego zdarzenia doszło z powodu złego zarządzania kablami, zwiększonych strat przez zanieczyszczenia czy inny czynnik.
Jeśli chodzi o wybór OLTS i OTDR, technicy powinni wybrać narzędzie, które są łatwe w użyciu i mają możliwość generowania raportów w przystępnym do zrozumienia formacie. Niezwykle przydatną funkcją jest integracja wyników z wykorzystaniem usługi w chmurze z obu urządzeń w jeden dokument. Opcja ta zapewnia kompletne i kompleksowe dane, które zadowolą użytkowników, będą poświadczeniem dla techników i ułatwią rozwiązywanie wszelkich problemów po uruchomieniu instalacji.
Podsumowując, nie tylko ważne jest zrozumienie różnicy pomiędzy OLTS i OTDR, ale także korzyści, które zapewniają oba badania. Chociaż służą do innych celów, razem się uzupełniają, a nie wykluczają w procesie testowania światłowodów. Wykorzystanie tej pary: OLTS i OTDR zapewnia udokumentowane wyniki przynoszące wiele korzyści.
Opracowano na podstawie materiałów Fluke Networks