اندازه گیری بازتاب نور – افت برگشتی فیبر نوری

Measuring Reflectance or Return Loss Reflectance

 

اندازه گیری بازتاب نور – افت برگشتی فیبر نوری

 

اندازه گیری بازتاب نور - افت برگشتی فیبر نوری
 

تعریف بازتاب نور / انعکاس

 

بازتاب یا انعکاس Reflectance (که آن را “بازتاب برگشتی” یا افت بازگشتی نور در فیبر نوری نیز می نامند Return Loss Reflectance) یک اتصال میزان نوری است که در اثر بازتاب نور از سطح انتهایی پولیش شده کانکتورهای نوری و هوای بین آنها، به داخل فیبر و به سمت منبع نور منعکس می گردد. همچنین به آن بازتاب فرنل (Fresnel) نیز گفته می شود که در اثر عبور نور از محل اتصال و با توجه به متفاوت بودن ضریب شکست نور در فیبر نوری و هوا (ضریب شکست نور در فیبر (n = ~ 1.5) و هوا (n = ~ 1) ) ، در نتیجه شکست نور و بازتاب نور ایجاد می شود.

بازتاب نور مهمترین عامل افت در کانکتور ها و اتصالات فیبر نوری به شمار می آید ، همچنین در مورد اتصالات مکانکیکی (اسپلایس نوری مکانیکی که حاوی ژل تطبیق کننده شاخص هستند) بازتاب نور به شدت رخ می دهد، اما در اسپلایس های حرارتی ( فیوژن فیبر نوری با قوس الکتریکی) معمولا بازتاب نور روی نمی دهد.

افت بازگشتی نور (ORL) گاهی اوقات بازتاب یا انعکاس خوانده می شود، با توجه به اینکه بازتاب نور معادل معکوس افت برگشتی می باشد و (به عنوان مثال بازتاب نور به میزان -50dB برابر افت برگشتی معادل 50dB نشان داده می شود)، با این حال، این اصطلاح توسط تولیدکنندگان دستگاه های OTDR به معنای متفاوت تری تعریف شده است – آزمایش یا سنجش مجموع تمامی بازتاب فیبر نور (total of all reflectance events ) و پراکندگی طول مسیر مورد آزمایش (total fiber backscatter  ، در قسمت های بعدی نحوه اندازه گیری بازتاب و افت بازگشتی نور توسط OTDR را میتوانید مشاهده فرمایید.

کانکتور های فیبر نوری دارای فرول ها و سطح انتهایی متفاوتی می باشند تا میزان بازتاب و افت بازگشتی را کاهش دهند. اتصال دهنده مکانیکی دارای مواد ژل تطبیق شاخص هستند که تا میزان ناچیزی از انعکاس نور جلوگیری می نماید.  جوش فیبر نوری با دستگاه های تراز خودکار کامل یا core alignment (فیوژن فیبر نوری) که اصولی و استاندارد انجام شوند بدون افت بازگشتی می باشند و در واقع انعکاس نور نخواهند داشت. البته این احتمال وجود دارد که فیوژن فیبر نوری نیز انعکاس به همراه داشته باشد، دستگاه های فیوژن غیر استاندارد و یا جوش فیوژن فیبر نوری معیوب و غیر قابل قبول و یا وجود حباب هوا یا سایر ناخالصی ها در محل اتصال عامل انعکاس در فیوژن فیبر نوری خواهد بود. بنابراین کابل لزوم ایجاد یک بستر شبکه فیبر نوری استاندارد  نیاز به کابل مرغوب و استاندارد ، دستگاه فیوژن ، کانکتور ها و تجهیزات سربندی استاندارد دارد.

بازتاب نور یک از عوامل ایجاد افت در کانکتور های فیبر نوری می باشد، که حدود 0.3dB دسی بل افت در کانکتورهای فیبرنوری که بدون تماس سطحی و یا در شکاف هوا جایی که دو تار فیبر نوری روبروی یکدیگر قرار میگیرند بیان می گردد. به حداقل رساندن میزان بازتاب نور برای دستیابی به حداکثر عملکرد سیستم های نوری امری ضروری است، تا بتوان به نرخ بیت های بالاتر در سیستم های لیزری(سینگل مد) و به ویژه سیستم های CATV مدوله شده AM دستیابی نمود. در سیستم های چند حالته (مالتی مد) ، بازتاب های نور مشکلات کمتری ایجاد می نماید، اما می تواند به اختلال زمینه ای (نویز یا background noise) در شبکه فیبر نوری بیفزاید.

 

با توجه به اینکه اینکه در شبکه های تک حالته یا سینگل مد بیشتر مشکل بازتاب کانکتور ها نگران کننده می باشد ، تولیدکنندگان همواره بر یافتن راه حل های کارآمد تر در برطرف سازی این مشکل در تجهیزات نوری تک حالت متمرکز بوده و تلاش می نمایند، اگرچه در نهایت کانکتور های چند حالته نیز از نتیجه این نو آوری های سود می برند زیرا هرگونه کاهش بازتاب نور ، افت را  در لینک نوری کاهش می دهد. چندین طرح برای کاهش بازتاب نور تا کنون ارائه گردیده و مورد استفاده قرار گرفته است، به طور کلی یک سطح اتصال فیزیکی صیقل شده به شکل محدب (PC) در انتهای فرول اتصال دهنده استفاده می شود که بازتاب نور را کاهش می دهد و میزان بازتاب  را  تا معادل -40dB  و  -50dB دسی بل کاهش می دهد. این تکنیک شامل فرایند پرداخت سطح نهایی فرول فیبر نوری به سطح محدب جهت اطمینان از تماس مناسب دو سطح روبروی یکدیگر است. در فیبر تک حالته ، تکمیل فرایند حتی با ایجاد زاویه ای کمی معادل 8 درجه در سطح کانکتور صیقل داده شده محدب است! تا تقریباً از بازتاب نور تا حدود (~-20dB دسی بل) جلوگیری نماید. به این کانکتورها APC یا کانکتورهای تماس فیزیکی زاویه دار گفته می شود.

 

بازتاب نور با مقدار نور منعکس شده، در مقایسه با قدرت نوری که به فیبر تزریق شده است، تعریف می گردد. بنابراین بازتاب %1 در واقع -20dB دسی بل می باشد که معادل میزانی است که از اتصال شکاف هوای بین دو فرول سطح صاف پولیش شده بدست می آورید و یک در میلیون معادل -60dB دسی بل برای کانکتور APC می باشد. افت بازگشتی نور معکوس بازتاب نور می باشد، افت بازگشتی نور مقدار افت در سطح سیگنال بازگشتی می باشد ، بنابراین بازتاب نور -20dB  دسی بل معادل 20dB  افت بازگشتی نور است.

اندازه گیری بازتاب نور – Measuring Reflectance

دو روش برای اندازه گیری بازتاب نور وجود دارد. در روش اول با استفاده از منبع فیبر نوری و پارمتر نوری (توان سنج و سورس نوری) با برخی از لوازم جانبی یا وسیله ای به نام بازتاب سنج CW نوری (OCWR) میتوان بازتاب نور را محاسبه نمود، در روش دوم با استفاده از دستگاه OTDR میتوان بازتاب نوری را محاسبه نمود. هیچ یک از دو روش اشاره شده دقیق نیستند، در بهترین حالت میزان دقت میتواند تا +/-1 dB  با واقعیت متفاوت باشد، اگرچه سازندگان تجهیزات سنجش نوری اغلب میزان بازخوانی 0.01dB  دسی بل را دارند که تنها باعث سردرگمی افرادی که تصور می کنند که دقت ابزار دقیق اندازه گیری آنها بسیار بالاست. مشکل محاسبه بازتاب نور محدوده وسیع اندازه گیری می باشد که باعث می شود یکی از دو روش های اندازه گیری های توان نوری بسیار پایینی را نشان دهد.

 

اندازه گیری های معمول بازتاب نوری نیاز به محدوده دینامیکی گسترده ای دارد ، چراکه بازتاب نوری برای بیشتر مدل های کانکتور فیبر نوری فعلی کوچک است، همانطور که در جدول زیر نشان داده شده است.

 

 

Connector Type Typical Reflectance
Flat with air gap -20 dB
Physical Contact (PC) -30 tp -40 dB
Ultra PC -40 to -50 dB
APC (angled) -60 dB or higher

 

اندازه گیری محدوده 40 تا 60 دسی بل چالش برانگیز است و آزمایش بازتاب مشکل دیگری را نیز به وجود می آورد ، این که چگونه می توان خطاها را از سایر قسمت های باز تابنده کابل مورد آزمایش و حتی پراکندگی موجود در فیبر نوری با مسافت طولانی تشخیص داد و به حداقل رساند. علاوه بر این ، بازتاب نوری ممکن است باعث حساسیت بیشتر فیبر به اثرات قطبی شود و با پدید آمدن پراکندگی قطبی کلیه شرایط آزمایش از کنترل خارج گردد.

 

توجه: بازتاب نوری نسبت به تمیزی سطوح کانکتورهایی که روبروی هم قرار می گیرند بسیار حساس است. قبل از آزمایش ، همیشه کانکتور ها را بازرسی ، تمیز و دوباره بازرسی نمایید تا از  تمیزی سطح کانکتور ها اطمینان حاصل فرمایید. برای اینکار به یک دستگاه inspection دیجیتال فرول نیاز خواهید داشت.

تست OCWR ( optical continuous wave reflectometer به معنای بازتاب سنج موج پیوسته نوری )

 

در شکل زیر تنظیمات معمول جهت آزمایش بازتاب نوری یا افت بازگشتی کانکتور ها یا پچ کورد ها بر اساس استاندارد های صنعت (TIA FOTP-107 یا IEC 61300-3-6) با استفاده از یک منبع نوری و پاور متر نوری است. این آزمون معمولاً برای پچ کورد های فیبر نوری سر بندی شده و در مواقعی که مقادیر افت و بازتاب نوری مورد نیاز است مورد استفاده قرار می گیرد. در فرایند آزمایش فوق، منبع نوری نور را از طریق یک کوپلر به اتصال مورد سنجش ارسال می نماید. این اتصال معمولاً شامل یک کانکتور ریفرنس یا مرجع است که برای قرار گیری روبروی کانکتور مورد آزمایش استفاده می شود. نور منعکس شده از اتصال توسط کوپلر تقسیم می گردد و قسمتی از آن توسط پاورمتر فیبر نوری اندازه گیری می شود.

تست OCWR

جهت محاسبه بازتاب نوری و افت برگشتی، بایستی میزان توان ورودی سیگنال مورد سنجش و نسبت جدا سازی تقسیم کننده یا کوپلر را به همراه افت مازاد کوپلر را بدانید. کوپلر اتصال دهنده سطح توان خروجی و بازتابی نور را تا میزان 3 دسی بل کاهش میدهد، البته علاوه بر آن به دلیل ناکارآمدی بیشتر کوپلر این مقدار به طور معمول 3.5 دسی بل کاهش می یابد.

همچنین بایستی بازتاب نوری قطعات دیگر را در کابل مورد آزمایش به حداقل برسانید. دو روش وجود دارد که اغلب برای “محدود نمودن” یا کاهش بازتاب نوری مابقی اجزای کابل مورد آزمایش استفاده می شود. یکی از روشها استفاده از “سربندی کانکتور نوری” در اتصال دهنده های مکانیکی است که معمولاً با قرار دادن انتهای فرول اتصال دهنده در ژل یا مایع با شاخص منطبق انجام می شود. ژل تطبیق شاخص که برای اتصالات مکانیکی استفاده می شود به خوبی عمل می نماید ، البته روغن معدنی و الکل نیز نسبتاً بهتر عمل خواهد کرد. البته پس از آزمایش ، فرول کانکتور نیاز به تمیز کردن دقیق با الکل ایزوپروپیل خالص دارد.
 

بازتاب سنج موج پیوسته نوری

 

روش دیگر مورد استفاده در فیبر های نوری تک حالته (سینگل مد) ، استفاده از مندرل است – مندرل بایستی حدودا 10 گردش فیبر به دور خود با قطری حدود ¼“ یا 6 میلی متری داشته باشد. این فرایند بایستی سیگنال را به اندازه ای تضعیف نماید که بازتاب نوری اجزای اضافی به حداقل رسد. (به یاد داشته باشید نور در هر دو جهت تضعیف می گردد ، بنابراین چنانچه افت 30 دسی بل بیان میگردد ، کل افت 60 دسی بل خواهد بود). این روش تنها در فیبر های نوری سینگل مد (تک حالته ) قابل اجرا می باشد و البته اشکالاتی نیز دارد. ممکن است روکش کابل بیشتر از حد ممکن کشیده شود پس از اتمام و راه اندازی شبکه در ناحیه ای که کابل دور مندرل پیچیده شده باشد ممکن است کابل ظاهر مناسبی نداشته باشد و سالم نظر نرسد.

 

در ادامه به بررسی 3 مرحله انجام آزمایش بازتاب نوری OCWR می پردازیم.

ابتدا سطح توان منبع نوری( سورس ) آزمون را تعیین نمایید. اگر میخواهید کمینه بازتاب نوری را اندازه گیری نمایید ، بایستی نسبتاً توان بالایی داشته باشد. پاور متر نوری را به کانکتور مورد سنجش متصل نموده و سطح توان را اندازه گیری نمایید.

برای این مثال ، فرض نمایید که  0dBm می باشد.

تست بازتاب نور

 

در مرحله بعد ، بایستی کانکتور مورد آزمایش را سربندی نموده و “اختلال پایه” را برای اندازه گیری تعیین نمایید که می تواند شامل کوپلر و سایر دستگاه ها در تنظیمات آزمایش باشد.

 

آزمایش بازتاب نور در فیبر نوری

 

اکنون دستگاه خود را جهت آزمایش به کانکتور مرجع متصل نمایید. سربندی انتهای کابل را با استفاده از ژل تطبیق شاخص یا روش مندرل Mandrel (که روی کابل فیبر نوری طولانی که نه تنها انعکاس دارد بلکه پراکندگی برگشتی نیز در آن ضروری است و باید به آن توجه شود) انجام دهید. به همین دلیل است که این تست به عنوان تست پچ کورد شناخته می شود ، چراکه لینک های طولانی را نمیتوان با آزمایش فوق به سرانجام رساند.

مندرل و تست بازتاب

 

پاور متر فیبر نوری میزان -41.9dBm دسی بل بر متر را  نشان میدهد. ما بایستی اندازه گیری را برای کوپلر کالیبره نماییم ، اجازه دهید 3.5 دسی بل اضافه نماییم ، بنابراین ما -38.4dBm از سیگنال پایه تست 0dB یا بازتاب نوری به میزان -38.4dBm دسی بل خواهیم داشت که معادل افت برگشتی برابر ORL 38.4dB خواهد بود، با توجه به اینکه اختلال پایه ما 60 دسی بل بود ، معادل  ~1%(-20dB) بازتابی که اندازه گیری نمودیم ، می توانیم آن را نادیده بگیریم.

 

OCWR و فرایند تست کابل های طولانی

فرایند تست OCWR در واقع تنها برای تست بازتاب پچ کورد های فیبر نوری طراحی شده است. از آنجا که پراکندگی طبیعی فیبر به بازتاب کلی اندازه گیری شده می افزاید ، کابل های با متراژ طولانی تر مقدار قابل توجهی از نور پراکنده را دارا می باشند. مواردی وجود دارد که مجموع بازتاب ها و پراکندگی بازگشتی را “افت بازگشتی نوری” (ORL) می نامند و به عنوان شاخصی از تأثیر کابل فیبر نوری نصب شده بر فرستنده های لیزری اندازه گیری می شود. برخی از OTDR ها نیز می توانند ORL را بر اساس همین تعریف محاسبه نمایند.

 

 

تست بازتاب نور توسط دستگاه OTDR

دستگاه OTDR می تواند میزان نور برگشتی منعکس شده را که از بازتاب (نوری برگشتی) حرکت نور در فیبر نوری بعلاوه کانکتور های مسیر و همچنین اسپلایس های نوری( اتصال مکانیکی و فیوژن فیبر نوری) منعکس شده است را اندازه گیری نماید و در نتیجه آن دو آزمایش مستقل ، بازتاب نور reflectance و افت بازگشت نوری  ORL را ارائه دهد.

 

رویداد بازتاب نور

میزان نور منعکس شده در نقطه اتصال بین دو تار فیبر نوری با توجه به تفاوت در شاخص شکست دو فیبر متصل ، تابعی از ترکیب شیشه تار های فیبر نوری و هرگونه هوای موجود در فاصله بین فیبر ها، همراه با سربندی ها و اسپلایس های (‌اتصال مکانیکی و فیوژن) متداول تعیین می شود. به طور کلی ، کانکتور ها در ردیابی ها و دیاگرام های آنالیز OTDR پیک های بازتاب را نشان می دهند ، اتصالات مکانیکی هم ممکن است قله ها( پیک peak ) بازتاب نور را نشان دهند و صد البته فیوژن های فیبر نوری اصولی هیچ بازتابندگی را نشان نمی دهند.

رویداد بازتاب نور

 

در یک دیاگرام OTDR ، قله ای که یک رویداد بازتاب نوری را مشخص می نماید اندازه گیری می شود و میزان بازتاب نوری آن محاسبه می شود. قله های بالاتر نشان دهنده بازتاب بیشتر می باشند. برای اندازه گیری بازتاب ، قله نباید گیرنده دستگاه OTDR را اشباع نماید ، که توسط یک قله بازتابی با سطح صاف نشان داده شده است (در شکل زیر.) به عنوان مثال ، شکل زیر یک ردیابی OTDR است که بازتاب را نمی توان به طور دقیق اندازه گیری نمود. تنها مقداری کمتر از میزان بازتاب واقعی را نشان می دهد.

محاسبه بازتاب نور

 

محاسبه بازتاب نور در تست ردیابی OTDR یک فرایند پیچیده است که شامل خط پایه تست OTDR ، سطح انعکاس برگشتی و توان نور در قله انعکاس شده است، که در نمودار زیر نشان داده شده است. از آنجا که انعکاس به عنوان کسری از توان در سیگنال مورد آزمایش تعریف می شود ، OTDR باید توان آزمایش را از سطح پراکندگی فیبر ، بر اساس ضریب پراکندگی معمولی فیبر مورد آزمایش محاسبه نماید.

 

 

تست ردیابی OTDR

 

 

OTDR سطح انعکاس بازگشتی نور را دقیقاً قبل از پیک یا اوج گیری در قله اندازه گیری می نماید ، اصلاح عرض پالس تست OTDR را اعمال می نماید ، سپس سطح سیگنال تست را محاسبه می نماید. سپس توان اوج بازتاب نوری را اندازه گیری نموده و بازتاب نور را محاسبه می نماید. روش غیرمستقیم اندازه گیری باعث می شود اندازه گیری بازتاب نور با دستگاه OTDR عدم قطعیت اندازه گیری نسبتاً بالایی داشته باشد ، اما این مزیت را دارد که نشان می دهد وقایع بازتابی در طی مسیر نور در فیبر نوری  در کجا قرار دارند ، بنابراین در صورت لزوم می توان آنها را اصلاح نمود. با انتخاب اندازه گیری بازتاب و قرار دادن مکان نما راست (آبی) در اوج بازتاب و مکان نما چپ (قرمز) درست در سمت چپ بازتاب ، OTDR بازتاب را اندازه گیری می نماید.

 

افت بازگشت نور (ORL)

 

به طور کلی دستگاه OTDR افت بازگشتی ORL را با لحاظ کل نور منعکس شده از رویدادهای بازتابی به علاوه کل انعکاس برگشتی از طول مسیر فیبر مورد آزمایش، محاسبه می نماید. این اندازه گیری ORL گاهی اوقات به عنوان مشخصات سیستم های با سرعت بسیار بالا استفاده می شود چراکه افت برگشتی ( ORL ) می تواند در اختلالات موجود در یک لینک انتقال نقش داشته باشد. این آزمون بازتابی نور متعلق به یک رویداد  مسیر نیست و نباید با آن آزمون اشتباه گرفته شود.

اطلاعات بیشتر در مورد کابل های فیبر نوری :

link

اطلاعات بیشتر در مورد کابل های شبکه مسی :

link

تجهیزات فیبر نوری:

link

 

 

مجتبی منتخبی – شیوا سلطانی

 

دیدگاه‌ها (0)

*
*