L'OTDR è lo strumento che permette di valutare in tempo reale la qualità di una fibra ottica, permette di individuare e localizzare in modo molto preciso gli eventuali problemi, garantendone la risoluzione nel più breve tempo possibile. Ecco l'ultimo nato di casa Yokogawa, pensato per chi opera sul campo e non ha tempo da dedicare a lunghe sessioni di training.
La necessità di scambiare quantità sempre maggiori di dati è un’esigenza che rispecchia la crescente capacità tecnologia delle telecomunicazioni che quella di elaborazione dei computer. La trasmissione delle informazioni mediante l fibra ottica sfruttando la luce è al momento la risposta più congeniale al problema.
Una tipica fibra ottica è costituita da diversi strati concentrici di cui il “core” e il “cladding” sono i più interni e quelli che consentono la propagazione della luce per via del diverso indice di rifrazione. Il materiale costruite è il vetro, tranne alcune fibre particolari come le PCS (Plastic Clad Silica) nelle quali il mantello è costituito da materiale plastico. Il cladding è rivestito da un terzo strato costituito da una resina siliconica, il cui spessore è di pochi micron e prende il nome di “coating”; una protezione primaria, definita “jacket”, riveste l’intera fibra ottica.
L’idea di trasmettere la luce sfruttando una guida costituita da strati coassiali a diverso indice di rifrazione risale ai primi anni del secolo scorso a cui l’invenzione del laser caratterizzato da luce monocromatica, ha dato un ulteriore e decisivo impulso.
Oltre ai settori classici delle telecomunicazioni, la fibra ottica è oggi impiegata anche nel cablaggio dei sistemi elettronici e grande rilevanza va assumendo nel mondo dell’illuminazione sia degli ambienti interni che di quelli esterni, oltre che nella creazione di ambienti scenografici.
Si può considerare la fibra ottica come una guida d’onda di forma cilindrica, realizzata in vetro o con altri materiali dielettrici e caratterizzata dalla proprietà di lasciare propagare la radiazione luminosa. Queste guide d’onda trasportano fotoni esattamente come un normale conduttore metallico trasporta elettroni.
Questo fenomeno si basa sulla variazione dell’indice di rifrazione n all’interno del materiale dielettrico. L’indice di rifrazione è definito come il rapporto tra la velocità di propagazione del raggio luminoso nel vuoto e la velocità di propagazione in un altro mezzo:
n = c/v
dove c=3x108 m/s (la velocità della luce) e v dipende dalle proprietà fisiche che caratterizzano il mezzo di propagazione; se queste proprietà sono mantenute invariate all’interno della fibra, allora il mezzo può dirsi omogeneo e n risulta costante lungo lo sviluppo della fibra.
L’obiettivo del costruttore della fibra ottica è quello di confinare all’interno del conduttore l’intero fascio luminoso emesso alla sorgente fino al dispositivo rilevatore.
Questo principio di funzionamento costituisce la base costruttiva di tutti i tipi di fibra ottica, ma nel settore delle telecomunicazioni è preferibile poter variare in modo controllato il valore dell’indice di rifrazione sia del nucleo (core) che del mantello (cladding). Entrambi sono in realtà costituiti dallo stesso materiale vetroso, ma come avviene nei semiconduttori, con opportuni drogaggi si possono variare con estrema precisione gli indici di rifrazione; i materiali utilizzati come droganti sono l’alluminio, l’ossido di germanio e il piombo.
Nelle fibre utilizzate nel settore telecomunicazioni, il diametro esterno è di 125 micron, mentre il core varia da pochi micron a 50 micron di spessore; la fibra così costituita è poi rivestita con ulteriori protezioni plastiche (gomma siliconica o acrilica) per diminuire la sua naturale fragilità.
Sono costruiti cavi a singola fibra (monofibra per collegamenti a prevalenza locale) e cavi multifibra per collegamenti sulla media e sulla lunga distanza. I cavi a fibre ottiche per collegamenti sottomarini subiscono un ulteriore rinforzo per conferire una sicura protezione meccanica.
Da un punto di vista pratico la posa dei cavi a fibre ottiche non differisce molto da quella degli usuali cavi in rame. Ovviamente è bene tener presente la natura vetrosa di questi cavi, per evitare di danni o compromettere la qualità trasmissiva è bene evitare di sottoporli a sforzi di trazione e compressione. La fibra potrebbe anche non rompersi, ma subire un degrado delle sue prestazioni a seguito del formarsi di microfratture. Anche curvature troppo accentuate sono fonte di danneggiamento, usualmente si consiglia di non superare i trenta gradi di curvatura.
Come lavora la fibra ottica
Il principio fisico con cui lavorano le fibre ottiche è il fenomeno della rifrazione. Quando un raggio luminoso attraversa la superficie di separazione tra due materiali a diverso indice di rifrazione subisce una deviazione della sua traiettoria e una parziale riflessione, se l’angolo di incidenza supera un valore limite il raggio viene totalmente riflesso.
La radiazione elettromagnetica si propaga all’interno del nucleo, in cui rimane confinata in virtù della presenza del mantello. Per capire meglio il fenomeno della propagazione di luce guidata si considerino due materiali otticamente trasparenti, ma caratterizzati da diversa densità e di conseguenza aventi diverso indice di rifrazione. I due materiali sono in intimo contatto e vengono colpiti da un raggio di luce.
Il raggio luminoso raggiunge la giunzione tra i due materiali che hanno indici di rifrazione n1 ≠ n2, avviene allora una netta deviazione del raggio nel passare dal mezzo con indice n1 a quello con indice n2. Espresso in termini geometrici, l’angolo di incidenza del raggio è diverso dall’angolo di rifrazione.
Lavorando sul rapporto dei due indici di rifrazione si può fare in modo che l’angolo di incidenza sia maggiore di un valore definito “angolo critico o angolo limite”, tale per cui il raggio è totalmente riflesso e forzato a tornare all’interno nel nucleo, senza attraversare il confine tra nucleo e mantello. In questo caso l’onda luminosa rimane totalmente confinata all’interno del nucleo. Nel caso in cui l’angolo incidente sia uguale all’angolo critico, il raggio luminoso corre parallelo alla giunzione. Questo fenomeno è uguale a quanto accade guardando la superficie di un laghetto alpino, se si è distanti si vede riflessa sulla superficie l’immagine del cielo e del panorama circostante, avvicinandosi e superando l’angolo critico si vede il fondale.
Si definisce come “angolo di accettazione” l’angolo di entrata (riferito all’asse della fibra ottica) del fascio luminoso in corrispondenza del quale l’onda elettromagnetica è soggetta a riflessione interna totale. Tutti i raggi emessi dalla sorgente di luce che entrano con angoli uguali o inferiori a quello di accettazione si propagano solo all’interno del core, fino all’uscita dove sono raccolti dal dispositivo ricevente.
Dove la sorgente non fosse costituita dalla luce collimata di un laser, ci sarà un cono di raggi ampio quanto l’angolo di accettazione; i raggi si propagheranno all’interno del condotto con tratti di percorso di lunghezza diversa, in funzione dell’angolo di incidenza con cui ogni raggio colpisce la giunzione core/cladding.
Optical Time Domain Reflectometer AQ1210 di Yokogawa
Per testare, caratterizzare e mantenere una rete di trasmissione basata sulle fibre ottiche si utilizza un OTDR (Optical Time Domain Reflectometer). Consente di stimare le attenuazioni lungo la rete, incluse quelle dovute ai connettori o alle giunzioni end-to-end (splice) che se non eseguite correttamente disperdono o riflettono la luce che passa attraverso le fibre. Inoltre lo strumento permette di localizzare i guasti come una rottura della fibra e di misurare il parametro che va sotto il nome di return loss, ovvero l'attenuazione del segnale di ritorno, ovvero il segnale riflesso da una o più discontinuità della linea di trasmissione.
Lo strumento utilizza gli effetti dei fenomeni di scattering e di riflessione per misurare le caratteristiche della fibra ottica.
Nel primo caso invia impulsi di luce lungo la fibra: dell'intero impulso solo una piccola parte della luce viene rimandata indietro nella direzione opposta. Questo ritorno viene chiamato backscatter, l'OTDR elabora il fascio di ritorno e traccia la curva corrispondente evidenziando l’entità della perdita di segnale.
La riflessione si manifesta nelle giunzioni come nei connettori, per via del diverso indice di rifrazione e l’OTDR la sfrutta per localizzare con precisione la posizione.
Lo strumento lavora iniettando una serie di impulsi nella fibra sotto test, dallo stesso punto rileva quindi la luce che per varie ragioni è diffusa o riflessa in un dato punto sulla linea.
Yokogawa, con un’esperienza ultratrentennale nel settore delle reti optoelettroniche, ha recentemente presentato AQ1210, OTDR multifunzioni portatile con pannello multi-touch capacitivo da 5,7” e pulsantiera, connessione Wi-Fi o ethernet. Operativo in soli dieci secondi dall’accensione ha un’autonomia di dieci ore e le batterie sono ricaricabili mediante un normale cavetto telefonico USB.
Avanzati algoritmi di analisi consentono allo strumento di caratterizzare accuratamente ogni PON (Passive Optical Network) fino a 128 splitter o diramazioni.
Ha una risoluzione di soli 2cm e una zona morta di 50cm. La zona morta di un OTDR (dead zone) si riferisce alla distanza (o al tempo) in cui l'OTDR non è in grado di rilevare o localizzare con precisione qualsiasi evento sul collegamento in fibra.
L’elevata efficienza del sistema operativo basato su Linux che supporta il multitasking in real time permette all’AQ1210 di far girare simultaneamente differenti funzioni di test, così da ottimizzare il tempo richiesto all’operatore.
Ad esempio, può eseguire una misura OTDR su una fibra mentre simultaneamente misurare la potenza su una seconda, verificare la qualità della connessione su di una terza e verificare la rottura o l’eccessiva curvatura su una quarta.
Quando su di una rete si rileva o identifica la posizione dell'estremità della fibra o di una curva, l’utente in base all'ambiente operativo può scegliere tra due modalità: la modalità ad alta velocità con tempi brevi di misurazione o la modalità con un alto livello di accuratezza che permette di riprodurre con estrema precisione le forme d'onda.
La funzione Smart Mapper fornita come standard permette all’operatore di testare e caratterizzare velocemente fibre ottiche lunghe da poche centinaia di metri a diverse centinaia di chilometri, generando istantaneamente il report del test in formato PDF con chiare indicazioni di pass/fail. Lo strumento è adatto a tutti gli installatori e manutentori delle reti PON (Passive Optical Networks) che oggigiorno trovano larga diffusione per dare connettività su portante ottica fino a casa (FTTH - Fiber To The Home) o fino all’antenna broadcast (FTTA - Fiber To The Antenna).
L’impiego sul campo, sia in fase di messa in servizio che di manutenzione ordinaria, consente di avere una misura precisa delle tratte, incluso il fine tratta, con la valutazione dell’attenuazione totale del segnale. Misura la qualità delle connessioni e dei giunti, individua i punti di perdita dovuti a piegature o a stress subiti della fibra.
Caratteristiche importanti
Il software consente di ottenere un report in formato pdf il cui template può essere organizzato dall’operatore nel modo che gli è più congeniale.
I file dati possono essere trasferiti ad uno smartphone o ad un tablet tramite connessione Wi-Fi o LAN, allo stesso modo è possibile controllare lo strumento da remoto. L’esistenza e la posizione di flessioni rilevanti agli effetti della corretta trasmissione del segnale possono essere fatte utilizzando il confronto di tracce a più lunghezze d'onda e l'analisi degli eventi in base a soglie definite dall'utente.
Con l’analisi multitraccia è possibile sovrapporre sul display fino a quattro tracce per l’analisi e il confronto, questa potenzialità è utile per valutare le posizioni e le perdite di connessioni dopo l'installazione di più fibre. L’analisi delle tracce a due vie viene calcola la media tra due misure eseguite da un'estremità del collegamento all'altra e viceversa, per trovare la perdita della connessione in modo corretto e accurato. Quando viene misurata solo da un'estremità, la perdita di connessione può essere visualizzata in modo errato a causa della differenza nel coefficiente di backscatter tra i due percorsi. L’analisi differenziale della traccia semplifica inoltre il controllo dell'invecchiamento delle fibre ottiche, dei punti di connessione e della variazione della perdita tra le fibre.
