Les fondamentaux d'un OTDR

 

Les bases

Un OTDR combine une source laser et un détecteur pour fournir une vue interne de la liaison par fibre. La source laser envoie un signal dans la fibre où le détecteur reçoit la lumière réfléchie par les différents éléments de la liaison. Il en résulte un tracé sur un graphique réalisé en fonction du signal reçu, et un tableau d'événements post-analyse contenant des informations complètes sur chaque composant du réseau est alors généré. Le signal envoyé est une impulsion courte qui transporte une certaine quantité d'énergie. Une horloge calcule alors avec précision le temps de vol de l'impulsion, et le temps est converti en distance - connaissant les propriétés de cette fibre. Au fur et à mesure que l'impulsion se propage le long de la fibre, une petite partie de l'énergie de l'impulsion revient au détecteur en raison de la réflexion des connexions et de la fibre elle-même. Lorsque l'impulsion est entièrement retournée au détecteur, une autre impulsion est envoyée, jusqu'à ce que le temps d'acquisition soit écoulé. Par conséquent, de nombreuses acquisitions seront effectuées et moyennées en une seconde afin de fournir une image claire des composants de la liaison.

Une fois l'acquisition terminée, le traitement du signal est effectué pour calculer la distance, la perte et la réflexion de chaque événement, ainsi que la longueur totale de la liaison, la perte totale de la liaison, l'ORL et l'atténuation de la fibre. Le principal avantage de l'utilisation d'un OTDR est qu'il s'agit d'un test unique, ne nécessitant qu'un seul opérateur et un seul instrument pour qualifier la liaison ou trouver un défaut dans un réseau.

La réflexion est la clé

Comme nous l'avons vu précédemment, l'OTDR fournit une vue de la liaison en lisant le niveau de lumière qui revient de l'impulsion qui a été envoyée. Il faut noter qu'il existe deux types de niveaux de lumière : un niveau bas constant créé par la fibre appelé « rétrodiffusion de Rayleigh » et un pic de haute réflexion aux points de connexion appelé « réflexion de Fresnel ». La rétrodiffusion de Rayleigh est utilisée pour calculer le niveau d'atténuation dans la fibre en fonction de la distance (exprimée en dB/km), ce qui se traduit par une pente droite dans une trace OTDR. Ce phénomène provient de la réflexion et de l'absorption naturelles des impuretés à l'intérieur de la fibre optique. Lorsqu'elles sont touchées, certaines particules redirigent la lumière dans différentes directions, ce qui entraîne une atténuation du signal et une rétrodiffusion. Les longueurs d'onde plus élevées sont moins atténuées que les plus courtes et nécessitent donc moins de puissance pour parcourir la même distance dans une fibre standard. 

Le deuxième type de réflexion utilisé par un OTDR - la réflexion de Fresnel - détecte les événements physiques le long de la liaison. Lorsque la lumière rencontre un changement brusque de l'indice de réfraction (par exemple, du verre à l'air), une quantité plus importante de lumière est renvoyée, créant la réflexion de Fresnel, qui peut être des milliers de fois plus importante que la rétrodiffusion de Rayleigh. La réflexion de Fresnel est identifiable par les pics dans une trace OTDR. Les connecteurs, les épissures mécaniques, les cloisons, les ruptures de fibre ou les connecteurs ouverts sont des exemples de telles réflexions. 

Que sont les zones mortes ?

Les réflexions de Fresnel conduisent à une spécification importante de l'OTDR connue sous le nom de « zones mortes ». Il existe deux types de zones mortes : l'événement et l'atténuation. Toutes deux proviennent des réflexions de Fresnel et sont exprimées en distance (mètres) qui varie en fonction de la puissance de ces réflexions. Une zone morte est définie comme la durée pendant laquelle le détecteur est temporairement aveuglé par une grande quantité de lumière réfléchie, jusqu'à ce qu'il se rétablisse et puisse à nouveau lire la lumière - imaginez que vous conduisez une voiture la nuit et que vous croisez une autre voiture dans la direction opposée ; vos yeux sont aveuglés pendant un court laps de temps. Dans le monde de l'OTDR, le temps est converti en distance ; par conséquent, plus il y a de réflexion, plus le détecteur a besoin de temps pour se rétablir, ce qui se traduit par une zone morte plus longue. La plupart des fabricants spécifient des zones mortes à la plus courte largeur d'impulsion disponible et sur une réflexion de -45 dB pour les fibres monomodes et de -35 dB pour les fibres multimodes. C'est pourquoi il est important de lire les notes de bas de page de la fiche technique, car les fabricants utilisent des conditions de test différentes pour mesurer les zones mortes - faites particulièrement attention à la largeur d'impulsion et à la valeur de réflexion. Par exemple, une réflexion de -55 dB pour une fibre monomode fournit des spécifications plus optimistes d'une zone morte plus courte que l'utilisation de -45 dB, simplement parce que -55 dB est une réflexion plus faible et que le détecteur se rétablit plus rapidement. De même, l'utilisation de différentes méthodes pour calculer la distance peut également donner une zone morte plus courte qu'elle ne l'est en réalité.

La zone morte de l'événement

La zone morte de l'événement est la distance minimale après une réflexion de Fresnel où un OTDR peut détecter un autre événement. En d'autres termes, il s'agit de la longueur minimale de fibre nécessaire entre deux événements de réflexion. Pour reprendre l'exemple de la voiture mentionné ci-dessus, lorsque vos yeux sont aveuglés par une autre voiture, vous pouvez, après quelques secondes, remarquer un objet sur la route sans être en mesure de l'identifier correctement. Dans le cas d'un OTDR, l'événement consécutif est détecté, mais la perte ne peut pas être mesurée. L'OTDR fusionne les événements consécutifs et renvoie une réflexion et une perte globales pour tous les événements fusionnés. Pour établir les spécifications, la méthode la plus courante dans l'industrie consiste à mesurer la distance à -1,5 dB de chaque côté du pic de réflexion. Une autre méthode, qui mesure la distance entre le début de l'événement et la chute du niveau de réflexion à -1,5 dB de sa crête, a également été utilisée ; cette méthode donne une zone morte plus longue, mais elle n'est pas souvent utilisée par les fabricants.

L'importance d'avoir une zone morte la plus courte possible permet à l'OTDR de détecter des événements très rapprochés dans la liaison. Par exemple, les tests dans les réseaux de locaux nécessitent un OTDR avec des zones mortes d'événement courtes car les cordons de raccordement qui relient les différents centres de données sont extrêmement courts. Si les zones mortes sont trop longues, certains connecteurs peuvent passer inaperçus et ne pas être identifiés par les techniciens, ce qui complique la localisation d'un problème potentiel.

La zone morte d'atténuation est la distance minimale après une réflexion de Fresnel où un OTDR peut mesurer avec précision la perte d'un événement consécutif. Si l'on reprend l'exemple de la voiture mentionné précédemment, après un certain temps, vos yeux auront suffisamment récupéré pour identifier et analyser la nature de l'objet sur la route. Le détecteur dispose d'un temps de récupération suffisant pour détecter et mesurer la perte de l'événement consécutif. La distance minimale requise est mesurée à partir du début d'un événement réfléchissant jusqu'à ce que la réflexion revienne à 0,5 dB au-dessus du niveau de rétrodiffusion de la fibre.

L'importance des zones mortes

De courtes zones mortes d'atténuation permettent à l'OTDR non seulement de détecter un événement consécutif, mais aussi de renvoyer la perte d'événements très rapprochés. Par exemple, la perte d'un court cordon de raccordement au sein d'un réseau peut désormais être connue, ce qui permet aux techniciens d'avoir une idée claire de ce qui se trouve à l'intérieur de la liaison. Les zones mortes sont également influencées par un autre facteur : la largeur d'impulsion. Les spécifications utilisent la largeur d'impulsion la plus courte afin d'obtenir les zones mortes les plus courtes. Cependant, les zones mortes ne sont pas toujours de la même longueur ; elles s'étirent à mesure que la largeur d'impulsion augmente. L'utilisation de la largeur d'impulsion la plus longue possible permet d'obtenir des zones mortes extrêmement longues, mais cela a une autre utilité, comme nous le verrons plus loin.

La gamme dynamique

Un paramètre important des OTDR est la gamme dynamique. Ce paramètre indique la perte optique maximale qu'un OTDR peut analyser depuis le niveau de rétrodiffusion au port OTDR jusqu'à un niveau de bruit spécifique. En d'autres termes, il s'agit de la longueur maximale de fibre que l'impulsion la plus longue peut atteindre. Par conséquent, plus la plage dynamique est grande (en dB), plus la distance atteinte est grande. Évidemment, la distance maximale varie d'une application à l'autre puisque la perte de la liaison testée est différente. Les connecteurs, les épissures et les séparateurs sont quelques-uns des facteurs qui réduisent la longueur maximale d'un OTDR. Par conséquent, le calcul de la moyenne sur une période plus longue et l'utilisation de la plage de distance appropriée sont la clé de l'augmentation de la distance maximale mesurable. La plupart des spécifications de la gamme dynamique sont données en utilisant la largeur d'impulsion la plus longue pour un temps de moyennage de trois minutes, rapport signal-bruit (SNR) = 1 (niveau moyen de la valeur moyenne quadratique (RMS) du bruit). Une fois de plus, il est important de lire les notes de bas de page d'une spécification pour connaître les conditions d'essai détaillées.

Une bonne règle de base consiste à choisir un OTDR dont la plage dynamique est supérieure de 5 à 8 dB à la perte maximale qui sera rencontrée. Par exemple, un OTDR monomode avec une plage dynamique de 35 dB a une plage dynamique utilisable d'environ 30 dB. En supposant une atténuation typique de la fibre de 0,20 dB/km à 1550 nm et des épissures tous les 2 km (perte de 0,1 dB par épissure), un appareil comme celui-ci pourra certifier avec précision des distances allant jusqu'à 120 km. La distance maximale peut être calculée approximativement en divisant l'atténuation de la fibre par la gamme dynamique de l'OTDR. Cela permet de déterminer la plage dynamique qui permettra à l'appareil d'atteindre l'extrémité de la fibre. Il faut garder à l'esprit que plus il y a de pertes dans le réseau, plus la gamme dynamique nécessaire est importante. Notez qu'une gamme dynamique élevée spécifiée à 20 µs ne garantit pas une gamme dynamique élevée à des impulsions courtes - un filtrage excessif des traces pourrait augmenter artificiellement la gamme dynamique à toutes les impulsions au prix d'une mauvaise résolution de recherche de défauts.

 

Largeur d'impulsion

 

Qu'est-ce que la largeur d'impulsion ?

La largeur d'impulsion est en fait le temps pendant lequel le laser est allumé. Comme nous le savons, le temps est converti en distance, de sorte que la largeur d'impulsion a une longueur. Dans un OTDR, l'impulsion transporte l'énergie nécessaire pour créer la rétro-réflexion pour la caractérisation de la liaison. Plus l'impulsion est courte, moins elle transporte d'énergie et moins elle parcourt de distance en raison des pertes le long de la liaison (atténuation, connecteurs, épissures, etc.). Une impulsion longue transporte beaucoup plus d'énergie, ce qui permet de l'utiliser dans des fibres extrêmement longues.

Si l'impulsion est trop courte, elle perd son énergie avant l'extrémité de la fibre, ce qui fait que le niveau de rétrodiffusion devient faible au point que l'information est perdue au niveau du bruit de fond. Il est alors impossible d'atteindre l'extrémité de la fibre. Il n'est donc pas possible de mesurer la liaison complète puisque la distance renvoyée à l'extrémité de la fibre est beaucoup plus courte que la longueur réelle de la fibre. Un autre symptôme est lorsque la trace devient trop bruyante près de l'extrémité de la fibre ; l'OTDR ne peut plus procéder à l'analyse du signal et les mesures peuvent être erronées.

Traitement de la largeur d'impulsion

Lorsque la trace devient bruyante, il existe deux moyens simples d'obtenir une trace plus nette. Tout d'abord, il est possible d'augmenter le temps d'acquisition, ce qui entraîne une amélioration (augmentation) considérable du RSB, tout en conservant la bonne résolution de l'impulsion courte. Cependant, l'augmentation du temps de moyennage a ses limites, car elle n'améliore pas indéfiniment le RSB. Si la trace n'est toujours pas suffisamment lisse, nous passons à la deuxième méthode, qui consiste à utiliser la prochaine impulsion plus élevée disponible (plus d'énergie). Cependant, il faut garder à l'esprit que les zones mortes s'étendent avec la largeur d'impulsion. Heureusement, la plupart des OTDR du marché disposent d'un mode Auto qui sélectionne la largeur d'impulsion appropriée à la fibre testée ; cette option est très pratique lorsque la longueur ou la perte de la fibre testée n'est pas connue.

Lors de la caractérisation d'un réseau ou d'une fibre, il est impératif de sélectionner la largeur d'impulsion adaptée à la liaison testée. Une largeur d'impulsion courte, une zone morte courte et une faible puissance sont utilisées pour tester des liaisons courtes où les événements sont très rapprochés, tandis qu'une largeur d'impulsion longue, une zone morte longue et une puissance élevée sont utilisées pour atteindre des distances plus importantes pour des réseaux plus longs ou des réseaux à pertes élevées.

Résolution et points d'échantillonnage

La capacité d'un OTDR à déterminer la bonne distance d'un événement repose sur une combinaison de différents paramètres, dont la résolution d'échantillonnage et les points d'échantillonnage. La résolution d'échantillonnage est définie comme « la distance minimale entre deux points d'échantillonnage consécutifs acquis par l'instrument ». Ce paramètre est crucial, car il définit la précision ultime de la distance et la capacité de recherche de défauts de l'OTDR. En fonction de la largeur d'impulsion et de la distance sélectionnées, cette valeur peut varier de 4 cm à quelques mètres. Par conséquent, un grand nombre de points d'échantillonnage doivent être pris au cours d'une acquisition afin de maintenir la meilleure résolution possible.