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Calibración y Medición de distancia en OTDR. Medidas electrónicas II UTN FRBA. Página 1

MEDIDAS ELECTRÓNICAS II

PROYECTO – AÑO 2015

Calibración y medición de distancias en OTDR

Artisu MT9083

Gabriel Dabrowski 118.315-1 Martín Fajardo 125.398-0 Rodrigo Di Luca 112.567-9


Introducción. ....................................................................................................................................... 3

Principio de operación. ....................................................................................................................... 4

Teoría .............................................................................................................................................. 4

Diagrama en bloques de un OTDR. ................................................................................................. 5

Precisión en la medición de distancia. ............................................................................................ 6

Calibración para medición de distancia. ............................................................................................. 6

Método de fibras incrementales. .................................................................................................... 6

Nuestros Elementos. ....................................................................................................................... 9

Nuestra Calibración. ...................................................................................................................... 10

Medición de las fibras incrementales. ...................................................................................... 10

Medición del factor de escala y offset absoluto. ...................................................................... 10

Conclusiones de esta calibración. ............................................................................................. 12

Medición del factor de escala y offset relativo. ........................................................................ 13

Conclusiones de esta calibración. ............................................................................................. 14

Método de Loop de recirculación y demora. ................................................................................ 14

Bibliografía. ....................................................................................................................................... 15


Introducción.

A más de veinticinco años desde que el reflectómetro por dominio del tiempo fue lanzado por

primera vez, la fibra monomodo se ha convertido en el medio más utilizado para las

telecomunicaciones de mediana y larga distancia. La instalación de millones de kilómetros de fibra,

tanto en el sistema terrestre como en el fondo del océano, ha estimulado el desarrollo de los

instrumentos reflectómetros por dominio del tiempo o también OTDR, a tal punto que hoy en día

tenemos pequeños OTDR que no solo miden la atenuación y la distancia hasta un evento sino que

también miden las pérdidas en los conectores, la uniformidad de la atenuación, la longitud de

onda de corte, la dispersión y las pérdidas de retorno entre otras cosas.

Un OTDR puede ser utilizado para determinar la longitud de la fibra, y su atenuación, incluyendo

pérdidas por empalmes y conectores. También puede ser utilizado para detectar fallos, tales como

roturas de la fibra. Para esto, el OTDR inyecta en la fibra bajo análisis una serie de pulsos ópticos y

extrae desde el mismo extremo de la fibra, luz que ha sido dispersada y reflejada de vuelta desde

diferentes puntos de la fibra.

En esta guía, el lector encontrará un método simple de calibración en la medición de distancia del

OTDR a través del método pasivo por fibras incrementales.


Principio de operación.

Teoría La gran mayoría de los OTDR funcionan enviando pulsos de luz en el interior de la fibra de

análisis para luego medir la intensidad de la luz reflejada por los distintos eventos a través de la

longitud total de la fibra. Con estos datos, el instrumento determina la pérdida de la fibra en

función de la distancia recorrida por el rayo.

Gracias a la dispersión de Rayleigh, dispersión causada por pequeños cambios en el índice de

refracción en el núcleo de la fibra óptica en distancias de órdenes equivalentes a la longitud de

onda de la fibra óptica, la luz se dispersa en todas direcciones, pero sólo lo que se dispersa de

nuevo hacia el OTDR y es capturado por la fibra finalmente alcanzará el OTDR. Alrededor del 5% de

la luz lanzada se dispersa por kilómetro y aproximadamente el 0,1% de esta es capturada y

devuelta hacia el OTDR. La potencia devuelta al puerto del OTDR es entonces:

𝑃𝑟𝑒𝑡 = 𝑃𝑜 .∆𝑡.𝐾. 10−𝛼 .𝑣.𝑡/10

Donde:

Po es la potencia de emisión.

Dt es el ancho de pulso asumiendo que el mismo es rectangular.

K es la constante de dispersión devuelta.

Alpha es la atenuación de la fibra en db/Km.

v es la velocidad de la luz dentro de la fibra.

t es el tiempo desde que se envió el pulso.

La luz que retorna luego de un tiempo t fue generada por un evento a una distancia L dentro de la

longitud total de la fibra donde 𝐿 = 𝑣. 𝑡/2. El OTDR mide el tiempo total desde que se emitió el

pulso hasta que se recibió y la potencia de recepción. De esta forma, si lo representamos en una

escala logarítmica en db resulta:

𝑃𝑟𝑒𝑡𝑑𝑏 = 10. log(𝑃𝑜 .∆𝑡.𝐾. 10−𝛼 .𝑣.𝑡/10)

𝑃𝑟𝑒𝑡𝑑𝑏 = 10. log 𝑃𝑜 .∆𝑡.𝐾 + 10. log(10−𝛼 .𝐿/5)

𝑃𝑟𝑒𝑡𝑑𝑏 = 10. log 𝑃𝑜 .∆𝑡.𝐾 −10.𝛼. 𝐿

5

(2) 5. log(𝑃𝑟𝑒𝑡 (𝐿)) = 5. log 𝑃𝑜 .∆𝑡.𝐾 − 𝛼. 𝐿

Asumiendo que K es constante, el resultado es una recta con ordenada al origen 5. log 𝑃𝑜 .∆𝑡.𝐾

y pendiente negativa dependiendo de la atenuación de la fibra.


Como se puede ver más adelante en la figura 2, la pantalla de un OTDR representa una recta con

pendiente negativa salvo en aquellos lugares donde hay más potencia de luz recibida que indica,

de acuerdo a su forma, algún evento en particular.

Diagrama en bloques de un OTDR.

Un OTDR típico es como el que se muestra en la figura 1. La unidad de procesamiento de señal

activa el generador de impulsos y a su vez el diodo láser. Esto produce entonces un pulso óptico

rectangular normalmente de entre 5 ns a 10 microsegundos de ancho con una frecuencia de unos

pocos kiloHertz. La salida del láser se alimenta a través de un acoplador direccional o,

alternativamente, un interruptor rápido. La señal óptica que regresa alimenta a un fotodiodo que

es amplificado, muestreado, y promediado para su posterior visualización. Una traza OTDR típica

se muestra en la figura 2.


Las longitudes de onda láser son por lo general de 850 y 1300 nanómetros para la fibra multimodo

y 1310 y 1550 nanómetros para la fibra monomodo. Cada vez más, OTDRs monomodo utilizan

longitudes de onda adicionales, tales como, 1625, 1410 y 1240 nanómetros. Estos se utilizan ya

sea en los enlaces instalados para controlar sistemas que transportan señales en 1310/1550

nanómetros o también para observar el espectro de longitudes de onda que soporta la fibra. La

medición de la atenuación de la fibra en cuatro longitudes de onda diferentes se utiliza para

predecir los valores de atenuación en las regiones 1300 y 1550. En la actualidad, los OTDRs pueden

medir en casi cualquier longitud de onda debido a la utilización de la multiplexación por división

de la longitud de onda empleada para sistemas de transmisión de datos.

La señal recibida por el OTDR típicamente está 40 dB por debajo de la potencia que se envía. Esto

se detecta con un fotodiodo de bajo nivel de ruido. Aun así, por más angostos que sean los pulsos,

y para mediciones de larga distancia (donde las señales de retorno son bajas), la luz de dispersión

de retorno produce señales eléctricas en el detector que puede estar por debajo del nivel de ruido

del detector y amplificador. Para superar este problema, se utiliza el promediado. Cada punto se

promedia muchas veces para eliminar el ruido que se presupone de valor medio nulo mientras

que la señal de dispersión de retorno no lo hace. Se puede afirmar que al aumentar el tiempo de

promediando desde 1 a 4 minutos, decrece el ruido en 3db. Considerando que es un camino de ida

y vuelta, entonces el ruido se reduce a la mitad, es decir 1,5 dB.

Precisión en la medición de distancia. Por lo generar, la precisión en la medición de distancia está dada por la resolución de la distancia

de sampleo y la incertidumbre del valor del índice de refracción de la fibra que está siendo medida

(el índice de refracción de la fibra es la relación entre la velocidad de la luz en vacío y la velocidad

de la luz al propagarse por el vidrio).

Calibración para medición de distancia. Existen dos métodos pasivos básicos para la calibración del OTDR en la medición de distancia.

Decimos pasivos dado que también exixten los métodos activos que no son tenidos en cuenta en

Los métodos pasivos para la calibración de distancia son: El método de fibras incrementales y El

método de recirculación y demora.

Método de fibras incrementales. En este método, el OTDR mide la distancia, L, a través del tiempo que tarda el pulso de luz en

viajar por unas fibras conocidas y regresar al medidor. De esta forma se puede determinar la

longitud L con la siguiente ecuación:

𝐿 =𝑡 .𝑐

2.𝑛𝑒𝑓𝑓 Donde: c es la velocidad de la luz, 299.792.458 metros/segundo y 𝑛𝑒𝑓𝑓 es el índice de

refracción efectivo de la fibra. Cuando se calibra un OTDR, existe un error en la medición de la

longitud "L" que resulta del error proveniente de la medición del tiempo que tarde el pulso de luz

en recorrer la fibra. Si bien es importante la incertidumbre del 𝑛𝑒𝑓𝑓 en una medición, el mismo

puede ser eliminado durante la calibración.

Para la calibración de un OTDR con métodos pasivos se utiliza un modelo lineal que responde a la

siguiente ecuación:


𝐿𝑂𝑇𝐷𝑅 = 𝑆𝐿 .𝐿𝑟𝑒𝑓 + ∆𝐿0 + 𝑓(𝐿𝑟𝑒𝑓 )

Donde:

𝐿𝑂𝑇𝐷𝑅 Es la distancia de un evento desde el frente del conector medido por el OTDR.

𝐿𝑟𝑒𝑓 Es la distancia verdadera medida.

𝑆𝐿 Es el factor de escala que debería ser idealmente 1.

∆𝐿0 Es la distancia offset que debería ser cero.

𝑓(𝐿𝑟𝑒𝑓 ) Representa el error de distancia por sampleo la cual se asume función periódica, con valor

medio igual a cero y período igual a la distancia entre puntos de sampleo.

Como alternativa a la anterior ecuación se puede escribir

∆𝐿 = 𝐿𝑂𝑇𝐷𝑅−𝐿𝑟𝑒𝑓= ∆𝑆𝐿 .𝐿𝑟𝑒𝑓 + ∆𝐿0 + 𝑓(𝐿𝑟𝑒𝑓 )

Donde ∆𝑆𝐿 = 𝑆𝐿 − 1. El error en la medición de distancia ∆𝐿 se muestra en la siguiente figura. La

inceridumbre en la distancia medida debido a la frecuencia de sampleo es tomada como la

diferencia máxima entre la linea recta y el ∆𝐿 medido dividido 3 para conseguir la incertidumbre

∆𝐿𝑠𝑎𝑚𝑝𝑙𝑒

Para calibrar la escala de distancia de un OTDR se necesitan algunas fibras de longitud conocida

más algunos pequeños incrementos de fibra. Un mínimo de dos fibras de longitud conocida deben

ser utilizadas.

La fibra para incrementar cuya longitud debe ser submúltiplo de la distancia de sampleo puede ser

usada para evaluar el error de distancia de sampleo. A veces el espacio de sampleo depende de


factores como el ancho de pulso, la escala de distancia y las opciones de zoom. Si la distancia de

sampleo no está disponible en el manual de usuario del OTDR o no aparece en la pantalla, es

posible de deducirla de la forma en que el cursor se mueve sobre el trayecto de la fibra. Si todo

esto no es posible, se puede ir testeando con rangos de fibras incrementales desde unos pocos

centímetros hasta algunos metros. Por lo general no es necesario medir el tiempo de vuelo de esa

fibra. Midiendo su longitud física y asumiendo un índice de refracción de 1.46, esto introducirá

una incertidumbre menor que 0.03 metro por metro de fibra incremental.

Para la calibración se utiliza el esquema mostrado en la siguiente figura.

La fibra A se conecta al OTDR a través de una o varias fibras incrementales. Luego, en el otro

extremo se conecta la fibra B. La reflexión debido al final de la fibra B será lo suficientemente

grande como para que no haya problemas en detectar el final de la fibra en la pantalla del OTDR.

Para este procedimiento, se va midiendo repetidas veces la distancia desde la juntura A/B hasta el

final de la fibra B a medida que se va agregando fibras incrementales de diferentes tamaños. El

índice de refracción debe mantenerse constante durante toda la fibra y para todas las mediciones.

La longitud de la fibra de referencia (𝐿𝑟𝑒𝑓 ) es calculada entonces como la suma de las fibras

incrementales mas la distancia de la fibra A y as\i obtener la distancia de la juntura A/B. La fibra A

debe ser de longitud conocida y calibrada. Esto va a dar como resultado pares de valores (𝐿𝑟𝑒𝑓 y

𝐿𝑂𝑇𝐷𝑅 ) por cada fibra incremental para luego armar el siguiente juego de ecuaciones en la cual al

menos son necesarias 2 mediciones para determinar las dos incógnitas.

𝐿𝑂𝑇𝐷𝑅 𝑖 = 𝑆𝐿 .𝐿𝑟𝑒𝑓 𝑖 + ∆𝐿0

De esta forma, con la utilización de varias fibras incrementales se obtienen los valores de 𝑆𝐿 y ∆𝐿0

y sus incertidumbres.

La incertidumbre de 𝑆𝐿 es brindada en sus manuales por la mayoría de los fabricantes pero es muy

raro encontrar la incertidumbre de ∆𝐿0. Un estimativo de esta incertidumbre puede obtenerse


usando la anterior ecuación 𝐿𝑂𝑇𝐷𝑅 𝑖 = 𝑆𝐿 .𝐿𝑟𝑒𝑓 𝑖 + ∆𝐿0 para cada fibra incremental calculando su

valor y su desviación estándar.

El valor de 𝑓(𝐿𝑟𝑒𝑓 ) puede ser obtenido con la siguiente ecuación 𝐿𝑂𝑇𝐷𝑅 = 𝑆𝐿 .𝐿𝑟𝑒𝑓 + ∆𝐿0 +

𝑓(𝐿𝑟𝑒𝑓 ) con los valores obtenidos de 𝑆𝐿 y ∆𝐿0 y obteniendo el ∆𝐿𝑆𝐴𝑀𝑃𝐿𝐸 como el valor más

grande dividido 3.

A pesar de que 𝑆𝐿 puede determinarse midiendo la fibra pequeña, una medición con menos error

puede obtenerse midiendo escalas de distancia más grande como 𝐷𝑂𝑇𝐷𝑅 𝑖 desde la juntura A/B

hasta el final de la fibra B determinado para cada fibra incremental. El valor 𝐷𝐴𝑉 y su desviación

estandar es calculada de las mediciones continuas de 𝐷𝑂𝑇𝐷𝑅 𝑖. El factor de escala está dado por la

siguiente ecuación: 𝑆𝐿 =𝐷𝐴𝑉

𝐷𝑟𝑒𝑓 donde 𝐷𝑟𝑒𝑓 es el largo de la fibra B que debería ser calibrado.

El valor promedio 𝐷𝐴𝑉 y su desviación estándar son calculados de la medición de 𝐷𝑂𝑇𝐷𝑅 𝑖.

El factor de escala entonces está determinado por 𝑆𝐿 =𝐷𝐴𝑉

𝐷𝑟𝑒𝑓. Y la incertidumbre de 𝑆𝐿 es calculada

conociendo 𝐷𝐴𝑉 y 𝐷𝑟𝑒𝑓 .

Nuestros Elementos.


Nuestra Calibración.

Medición de las fibras incrementales.

Para la realización de esta experiencia fue necesario medir todas las fibras utilizadas de

forma tal de reducir el error de la calibración. En la siguiente tabla, se puede apreciar la medición

de las fibras que previamente fueron estiradas para su correcta medición.

Medición del factor de escala y offset absoluto.

Para la realización de esta experiencia fue necesario medir todas las fibras utilizadas de


Graficando los resultados:

Calculando ahora el error:


O también, graficando el error:

Quedando como resultado:

Teniendo en cuenta las incertidumbres del método de medición:

Conclusiones de esta calibración.

Se observa un error de linealidad o factor de escala un poco mayor que el 1%.

Se observa un offset superior al metro, indicando que no serán aceptadas mediciones de

fibras directamente colocadas al OTDR cuya longitud sea inferior a 1,263 metros.

Un error por offset que afecta en gran parte a las mediciones de fibras pequeñas, dado

que a fibras más bajas, pierde peso

Una incertidumbre poco relevante frente al error por offset.

Dado las conclusiones obtenidas del anterior cálculo, se procedió a la calibración con mediciones

diferenciales:


Medición del factor de escala y offset relativo.

Graficando los resultados:

Calculando el error:


Graficando el error:

Quedando como resultado:

Teniendo en cuenta las incertidumbres del método:

Conclusiones de esta calibración.

Se observa un error de linealidad o factor de escala un poco menor que el 1%.

Si bien esperábamos encontrar un offset igual a cero, el mismo se redujo

considerablemente comparado con el obtenido anteriormente.

Una incertidumbre poco relevante frente al error por offset.

La incertidumbre total aumentó en referencia a la anterior calibración. Esto se debe a que

en esta calibración fueron utilizadas más fibras incrementales.

Método de Loop de recirculación y demora. El método de recirculación y demora consiste en hacer pasar las reflexiones muchas veces por la

misma fibra incremental a través de un acoplador bi-direccional como se lo muestra en la

siguiente imagen.


De esta forma, con solo dos fibras de longitud conocida se pueden generar muchos puntos en el

gráfico de error que aumentan la precisión del método.

Lamentablemente por falta de materiales no hemos podido realizar esta experiencia pero a

continuación dejamos las ecuaciones para que puedan ser utilizadas por el lector.

Siendo el cálculo de error, igual al realizado en las experiencias anteriores, el único elemento

difícil de conseguir es el acoplador bi-direccional.

Bibliografía. "Calibration and Use of Optical Time Domain Reflectometers". Brian Walker Centre for

Electromagnetic and Time Metrology National Physical Laboratory.

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