El Refloctómetro óptico en el dominio del tiempo

CAPÃ TULO 2. EL REFLECTÃ METRO Ã PTICO EN EL DOMINIO DEL TIEMPO.
• Principio de funcionamiento del reflectómetro.
El principio de funcionamiento se basa en el método de Retroesparcimiento o Retrodispersión
(Backscatter), especÃ−ficamente el mecanismo de esparcimiento Rayleigh. En este, la luz que se propaga por
una fibra óptica se dispersa en todas las direcciones, y en cada punto a lo largo de esta, con una distribución
proporcional a (1 + Cos2θ), donde θ representa el ángulo entre la dirección de propagación y la de
retroesparcimiento. La dispersión se produce debido a pequeñas variaciones del Ã−ndice de refracción
que ocurren continuamente a lo largo de la fibra, las que se manifiestan como consecuencia de la
inhomogeneidad del material que compone la fibra. La figura 2.1 ilustra el esparcimiento Rayleigh.
Figura 2.1 Retroesparcimiento Rayleigh.
El OTDR aprovecha este principio fÃ−sico para realizar mediciones en enlaces de fibra óptica. El equipo
inyecta una secuencia de impulsos periódicos los cuales son suministrados por una fuente óptica estable,
como un láser, con la longitud de onda adecuada. Debido al fenómeno Rayleigh, de la cantidad energÃ−a
que se dispersa en cada punto de la fibra, y hacia todas las direcciones, sólo una minúscula parte retorna
hacia el OTDR. Esta pequeña retrodifusión es recibida por un fotodetector o detector óptico, que es parte
del mismo circuito de la fuente óptica. Este dispositivo intercepta la mayor cantidad de señal, la que es
fotoamplificada y transformada en señal eléctrica. Como se trata de una señal de 40 a 80 decibeles por
debajo de la señal enviada, es decir, de alrededor de una millonésima parte de la señal aplicada, es
necesario mejorar la relación señal/ruido y el rango dinámico, por lo que el láser debe suministrar una
alta potencia óptica y asÃ− alejarla del nivel de ruido.
Otro principio fÃ−sico que el OTDR emplea como base para las mediciones es el fenómeno de Fresnel. El
haz inyectado además de provocar el efecto Rayleigh en la fibra, también genera reflexiones, las que
obedecen a este fenómeno.
En rigor, éste se produce debido a la diferencia entre el Ã−ndice de refracción de la fibra y el del aire. En
otras palabras los pulsos inyectados se reflejan en puntos donde existen discontinuidades, como por ejemplo,
en los extremos de la fibra donde se realizan los acoplamientos, como también a lo largo del tramo, en los
puntos en que la fibra ha sido intervenida o se ha roto, es decir, donde el haz pasa de un medio (fibra) a otro
(aire), produciéndose un cambio abrupto, el que se manifiesta como una fuerte reflexión. La figura 2.2
ilustra el fenómeno.
Figura 2.2 Fenómeno de Fresnel.
Los fenómenos Rayleigh y Fresnel se producen básicamente como consecuencia de los cambios en el
Ã−ndice de refracción. Una variación fina y continua dentro del núcleo, en el caso del primer fenómeno,
y un cambio brusco al pasar de un medio a otro, en el caso del segundo. Los resultados que el OTDR
representa y grafica para cada uno de estos fenómenos se conocen como eventos o sucesos.
El OTDR puede dar muchas referencias del comportamiento de una fibra en segundos de medición,
entregando información acerca de la uniformidad de la fibra y de las propiedades más importantes que
definen un enlace óptico.
Entre las caracterÃ−sticas más importantes que el equipo puede determinar están la distancia (total o
parcial de un enlace), la atenuación del enlace, pérdidas por inserción y la pérdida de retorno
(Reflectancia). Esto permite asegurar que la pérdida total que se obtiene mediante las mediciones
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prácticas que se realizan con un OTDR, responda a las que se especifican en un diseño determinado.
• FUNCIONAMIENTO del circuito INTERNO DEL OTDR.
El circuito interno del OTDR consta de cinco etapas esenciales. Posee un generador de impulsos, una fuente
óptica (Diodo Láser), un acoplador óptico bidireccional, un fotodetector o detector óptico y un
amplificador integrador.
El generador de impulsos funciona como un dispositivo que proporciona una señal que excita la fuente
óptica, la cual genera un haz de pulsos de alta potencia que será inyectado dentro de la fibra mediante el
acoplador bidireccional y un conector.
Al momento de recorrer la fibra, los impulsos enviados sufren reflexiones de Fresnel en los lugares en donde
se detecten discontinuidades o irregularidades. Asimismo se produce el fenómeno de Rayleigh a lo largo de
la fibra debido a las caracterÃ−sticas propias de ésta. Parte de la luz afectada por estos fenómenos retorna
al circuito en forma de luz retroesparcida (Backscatter).
En el diagrama en bloques de la figura 2.3 es posible visualizar el funcionamiento del equipo en la
generación y posterior procesamiento de las señales.
Figura 2.3 Diagrama en Bloques de la técnica de medición de Retroesparcimiento.
El detector recibe las señales retroesparcidas y las entrega a un amplificador integrador que se encarga de
procesarlas, a partir de la envolvente de todos los puntos retroesparcidos, además de mejorar la relación
señal / ruido.
Por último, la señal procesada pasa por un divisor por dos, ya que el tiempo de circulación medido
corresponde a un doble recorrido, para luego ingresar al visualizador o display del equipo que finalmente
mostrará en un plano X-Y los resultados. El eje X indica la distancia del enlace en metros y el eje Y
corresponde a la potencia recibida en dBm, ya que la potencia es una función logarÃ−tmica. En la figura 2.4
se ejemplifica una medición tÃ−pica mediante OTDR, la que por ejemplo, se podrÃ−a dar entre dos
ciudades.
Figura 2.4 Representación de un tramo de fibra óptica mediante OTDR.
En la figura 2.4 es posible apreciar el efecto de la atenuación explicada anteriormente, y que está
representada por la pendiente de la traza, es decir, la caÃ−da ligera y continua en la potencia de la señal que
esta siendo transmitida a lo largo del enlace.
Además se observan los eventos o sucesos producto de las discontinuidades y del diseño propio del enlace
con la información acerca de su ubicación y correspondiente pérdida.
• Cálculo de Distancia y Potencia.
A continuación se muestran las ecuaciones y los procedimientos matemáticos que emplea un OTDR para
calcular distancia en un enlace y la potencia de la luz retroesparcida.
• Cálculo de la Distancia.
Para calcular la distancia de cada punto especÃ−fico del enlace y de los eventos generados por las uniones o
discontinuidades que se hallan en él, el equipo fija el tiempo de partida de la medición en t = 0. Como la
retrodispersión se da en cada punto a lo largo de la fibra, el OTDR recibe información continua de cada
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punto, especÃ−ficamente la información correspondiente al intervalo de tiempo que demora la luz de
retroesparcimiento en llegar hasta el detector óptico, asÃ− como el intervalo de tiempo que tardan las
reflexiones de Fresnel en llegar a este.
Con esta información, el equipo ahora solo debe realizar el cálculo de la distancia mediante la formula
expresada en la ecuación 2.1 que se muestra a continuación.
(2.1)
donde v : velocidad de la luz en la fibra [m/s]. t : tiempo de propagación [s].
Sin embargo, el OTDR debe calcular previamente la velocidad de la luz en la fibra. Este cálculo lo realiza
mediante la relación que existe entre la velocidad de la luz en el vacÃ−o y el Ã−ndice de refracción de la
fibra óptica. La ecuación 2.2 muestra esta igualdad.
(2.2)
donde c : velocidad de la luz en el vacÃ−o (2.998979 x 108 m/s). n : Ã−ndice de refracción grupal del
núcleo.
La velocidad de la luz obtenida es multiplicada por los valores de tiempo de retorno de las señales,
obteniéndose de esta forma la información de la distancia tanto de los eventos o sucesos, como de la
longitud total o parcial del enlace.
Como se observa, el valor del Ã−ndice de refracción es fundamental. Cualquier desviación que presente
afectará directamente a la distancia calculada, por consiguiente es muy importante conocer el valor exacto
correspondiente a la fibra que se está midiendo. Más adelante se analizará la importancia del efecto de
este Ã−ndice en las mediciones de distancia y el método propio que incluye el OTDR HP8147 para
medirlo.
Por otra parte, la precisión en el tiempo t de la ecuación 2.1 depende de la exactitud del oscilador interno
del OTDR. No obstante, las precisiones desarrolladas y alcanzadas en los OTDR actuales son muy altas,
manteniendo este error muy bajo, por lo que este parámetro no es tan crÃ−tico como el valor del Ã−ndice de
refracción.
• Cálculo de la Potencia (Pérdidas).
La potencia que es recibida depende de las caracterÃ−sticas de atenuación propias de la fibra, y se visualiza
como una inclinación gradual conforme aumenta la distancia. Asimismo, la potencia sufre pérdidas debido
a las diferentes uniones o discontinuidades que se presentan en diferentes puntos del enlace óptico.
Como ya se ha mencionado, todos estos acoples e irregularidades son representados por el OTDR mediante
diferentes formas gráficas denominadas eventos o sucesos, que son generados principalmente por empalmes
de fusión, empalmes mecánicos, conectores, pliegues, fisuras, roturas, entre otros, y hacen que la traza
desvÃ−e su continuidad, produciendo un desplazamiento vertical de la misma, lo que representa la pérdida
de potencia.
Cuando se mide la caÃ−da de la potencia óptica, el OTDR procesa y promedia la luz retroesparcida. La
potencia de la luz retroesparcida para fibras monomodo que es causada por el pulso en t = 0 está
representada por la ecuación 2.3.
(2.3)
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donde S : razón entre la luz retroesparcida de Rayleigh y luz de Fresnel. αr : pérdida óptica por
dispersión de Rayleigh [dB]. v : velocidad de grupo de la luz en la fibra óptica [m/s]. T0 : intervalo de
tiempo de la luz retroesparcida al detector [s]. P0 : potencia de transmisión en T0 [dBm].
El valor de S para fibras monomodo, se define en función de las caracterÃ−sticas geométricas de la fibra y
del haz emisor, y de la frecuencia normalizada V. La ecuación 2.4 muestra la relación matemática de
dichos parámetros.
(2.4)
donde w : diámetro del campo modal del haz. a : diámetro del núcleo de la fibra. V : frecuencia
normalizada.
No obstante, la luz retroesparcida decrece de acuerdo a una función exponencial en el dominio del tiempo y
el nivel depende de la pérdida en la fibra óptica. Como consecuencia de esto, la potencia P0 de la
ecuación 2.3 queda en función del nivel de potencia recibido por el fotodetector junto con el factor de
atenuación de la fibra. Lo anterior queda expresado matemáticamente en la ecuación 2.5.
(2.5)
donde Pi : potencia o nivel del pulso óptico de entrada [dBm]. α : pérdida de la fibra óptica por unidad
de longitud.
Como se comentó anteriormente, el Ã−ndice de refracción es fundamental para una correcta medición de
la distancia, ya que afecta indirectamente este resultado a través del valor de la velocidad de la luz en la
fibra.
• Pérdidas por Inserción o atenuación (IL: Insertion Loss).
Es la atenuación que se produce cuando la señal óptica pasa por un elemento atenuador. Se define como
la razón entre la potencia de entrada al elemento y la que sale de éste. La figura 2.5 muestra un diagrama
de pérdida por inserción.
Figura 2.5 Diagrama pérdida por Inserción.
• Pérdida de Retorno à ptico (ORL: Optical Return Loss).
Se define como la razón entre la potencia de entrada al elemento y la potencia reflejada por éste. La figura
2.6 muestra un diagrama de pérdida de retorno óptico. La Reflectancia es la magnitud inversa a la ORL, es
decir, ORL= - Reflectancia.
Figura 2.6 Diagrama pérdida de retorno óptico.
• Coeficiente de Dispersión.
Un parámetro igualmente importante es el llamado Coeficiente de Dispersión. Como ya se sabe, el
fenómeno de Rayleigh produce el efecto de dispersión, del cual, una cantidad pequeña viaja hacia atrás,
la que es conocida como retroesparcimiento. El coeficiente de dispersión es una medida de esta cantidad de
luz que la fibra es capaz de dispersar o devolver hacia el OTDR, y afecta a las pérdidas de retorno. Este
coeficiente se calcula como la relación entre la potencia del pulso de salida del OTDR y la potencia de
retrodifusión en un punto determinado de la fibra, es decir, depende de la atenuación propia de la fibra. La
relación se expresa en decibeles (dB) y es inversamente proporcional al ancho del pulso. Un valor de 50 dB
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es tÃ−pico para un ancho de pulso de 1μs.
• EVENTOS O SUCESOS EN LA FIBRA.
El OTDR entrega distintas gráficas para los eventos que suceden en la fibra. La importancia del OTDR al
mostrar sucesos es que es posible visualizar de que evento se trata y donde está.
Los eventos que un OTDR representa en una traza se producen como consecuencia de las conexiones que el
diseño del enlace requiere. Estos pueden ser empalmes de fusión, empalmes mecánicos o conectores. Los
sucesos también se pueden dar como resultado de una manipulación poco cuidadosa de la fibra en la etapa
de instalación o debido a condiciones crÃ−ticas en los emplazamientos, que pueden generar dobleces
forzados, pliegues, macropliegues, grietas o roturas.
En la figura 2.7 se clasifican los sucesos más importantes que pueden darse como resultado de una
medición a un enlace óptico determinado, junto con la representación de estos en la traza.
Figura 2.7 Principales eventos o sucesos de un enlace representados con OTDR.
Como se observa, las representaciones de los eventos que la traza del OTDR realiza son diversas. La
clasificación que se ha elaborado para estos sucesos se establece en dos grupos principales, los que serán
descritos a continuación.
• Eventos Reflectivos.
Este tipo de evento es producto de conectores, empalmes mecánicos, fisuras, extremo abierto (pulido) o
extremo con conector.
En el punto de ubicación del evento se produce una fuerte reflexión en la traza (Fresnel), la que causa
pérdidas que se visualizan como una caÃ−da vertical del nivel de retrodispersión. La magnitud de la
reflexión se define como pérdida de retorno y está determinada por la amplitud de la reflexión sobre el
nivel de retroesparcimiento en decibeles. Más adelante se verán los valores tÃ−picos para este tipo de
eventos.
En la figura 2.8 se observa el desplazamiento vertical que sufre la traza. La lÃ−nea punteada es una
extrapolación de la caÃ−da y muestra la atenuación de la traza respecto del nivel de retrodispersión antes
del evento.
Figura 2.8 Representación de un evento reflectivo.
• Evento no Reflectivos.
En este caso los eventos producen pérdidas pero generalmente no causan reflexiones. à stos eventos
surgen como consecuencia de empalmes de fusión, pliegues, macropliegues o, en algunas ocasiones,
extremos de la fibra rotos.
De la misma forma, el OTDR los representa como una caÃ−da vertical repentina en el nivel de
retrodispersión, provocando la pérdida.
En la figura 2.9 se puede observar la representación de una pérdida ocasionada por un evento no
reflectivo. La lÃ−nea punteada extrapolada junto con el nivel de retrodispersión previo al evento, indica la
diferencia en los niveles de la traza antes y después del evento.
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Figura 2.9 Representación de un evento no reflectivo.
Esta representación se puede dar tanto para empalmes de fusión como para dobleces o macropliegues. La
forma para diferenciar un evento del otro, es que los empalmes idealmente están documentados y registrados
en los datos de instalación y mantenimiento del enlace, es decir, se posee información acerca de la
ubicación de estos, por lo que cualquier pérdida registrada en un lugar desconocido indicarÃ−a la
presencia de un pliegue. Por otra parte, los dobleces registran mayores pérdidas al aumentar la longitud de
onda en la medición, por lo que efectuar mediciones a distintas longitudes de onda, facilita la tarea de
diferenciar entre empalmes y dobleces.
Para el caso particular de un empalme de fusión, existe otro fenómeno que comúnmente se da. En este, el
evento es representado como una ganancia de energÃ−a en lugar de una pérdida, condición que no es real
debido a que un empalme es a un elemento pasivo.
La figura 2.10 muestra la gráfica que entrega el OTDR debido a la situación comentada anteriormente. En
esta ocasión se observa una ganancia de energÃ−a por sobre la lÃ−nea negra punteadas.
Figura 2.10 Representación de un empalme de fusión con ganancia de energÃ−a.
El OTDR mide la pérdida de un empalme comparando la cantidad de retroesparcimiento antes y después
de éste. Debido a este método, si el coeficiente de dispersión en la fibra de la derecha es mayor, se
visualiza una ganancia de energÃ−a, ya que se produce mayor cantidad de retroesparcimiento con la misma
cantidad de potencia luminosa que se esta transmitiendo.
La forma de obtener resultados correctos en un empalme que presenta esta situación, es midiendo desde
ambos extremos del enlace. Luego los resultados de las muestras son promediados con el fin de obtener un
resultado que represente la pérdida real del empalme. Esta solución se conoce como promedio de dos
vÃ−as y usualmente entregan valores de pérdida muy pequeños y que representan mejor el valor real de
la pérdida.
Por último, si un empalme determinado registra una ganancia con un equipo en particular, es muy probable
que al medirlo con un equipo de distinta marca, el empalme se visualice igualmente como una ganancia de
energÃ−a.
• Extremos de la fibra.
Dependiendo de la condición en que se encuentre el extremo cortado de una fibra, el OTDR puede graficarlo
de dos formas.
En el primer caso, si la fibra ha sido cortada y pulida con una herramienta especial perpendicularmente
respecto de su eje, o bien se le ha agregado un conector, entonces se produce una reflexión de Fresnel,
después de la cual la señal cae al nivel del ruido.
En el segundo caso, si la fibra ha sido cortada de forma no adecuada o ha sufrido una ruptura accidental, la
irregularidad de la superficie que queda, dispersa la luz y por lo general no se produce reflexión, cayendo la
señal al nivel de ruido luego del evento.
En la figura 2.11 (a) se tiene la primera situación y en la figura 2.11 (b) se observa la segunda.
Figura 2.11 Extremos de fibra en distintas condiciones de terminación.
• Parámetros de medición en un otdr.
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• Ancho del pulso.
Un parámetro importante para obtener buenos resultados de una medición es el ancho del pulso de luz
aplicado en el interior de la fibra. El OTDR funciona emitiendo pulsos de una misma duración en forma
repetida y a una frecuencia por lo general de 10.000 ciclos por segundo. La duración o ancho de pulso es
ajustable y determina la resolución de la distancia, que es fundamental para separar eventos con claridad.
Según sea el propósito especÃ−fico de la medición, se pueden escoger pulsos angostos o pulsos anchos.
La figura 2.12 muestra la diferencia en la resolución de la distancia entre la emisión de un pulso corto (a) y
un pulso largo (b).
Figura 2.12 Gráficos para pulso corto y pulso largo.
Como se observa en (a), el pulso corto puede brindar una mejor resolución, lo que es útil para visualizar en
forma clara eventos relativamente cercanos, ubicados en etapas especÃ−ficas dentro de un enlace. El
inconveniente que presenta un pulso corto es el poco alcance que logra. Esto se debe a la poca energÃ−a que
concentra y que implica tener más ruido en la medición, lo que reduce el rango dinámico.
Por otra parte, un pulso largo posee mayor cantidad de energÃ−a (b), lo que devuelve un nivel de
retroesparcimiento mayor el cual permite alcanzar grandes distancias, con rango dinámico amplio, antes de
que el ruido comience a afectar la medición, lo que lo hace ideal para enlaces completos o detectar una falla
lejana.
La desventaja de un pulso largo es que, debido a que calculan un promedio de la fibra sobre una sección
más amplia, la resolución es inferior y se pueden perder de vista sucesos en la traza, es decir, al
incrementar el ancho del pulso se incrementa el nivel de retrodispersión. La figura 2.13 grafica esta
situación.
Figura 2.13 Representación del ancho del pulso en la fibra.
Dependiendo de la medición a realizar, se usarán pulsos cortos para una mejor resolución, por ejemplo, al
medir lo que sucede entre un Router y un Servidor, o pulsos largos para obtener mayor alcance para, por
ejemplo, medir el final de una fibra en un enlace de larga distancia, sin importar lo que sucede en el camino.
• Ancho de banda y resolución.
Del punto anterior se ha destacado la relación entre resolución y ruido que presenta el OTDR. Cuanto mejor
sea la resolución (pulsos cortos) habrá más ruido y a menor resolución (pulso largos) se obtiene un
mejor rango dinámico. Esto se debe al diseño del OTDR, especÃ−ficamente al diseño del receptor y a su
circuito de funcionamiento (que en rigor es la etapa que impone el ancho de banda a partir del principio de
que cualquier hardware posee un ancho de banda limitado) y según el manejo que se haga de éste, para
obtener una resolución determinada.
En este caso los lÃ−mites del ancho de banda son determinantes en los resultados del ancho del pulso,
explicado anteriormente. Los pulsos cortos son obtenidos a partir de un ancho de banda amplio, el que
proporciona tiempos de transición muy rápidos, que permiten seguir y describir la señal recibida
rápidamente, con una resolución óptima, pero con mayor presencia de ruido.
Los pulsos largos son producto de un ancho de banda estrecho, el que reduce los tiempos de transición,
favoreciendo el rango dinámico y desmejorando la resolución, lo que genera un tiempo de recuperación
largo tras una fuerte reflexión.
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En otras palabras, el ajuste del ancho del pulso es un ajuste indirecto del ancho de banda disponible, para
realizar una medición determinada.
El OTDR con el que se ha desarrollado este trabajo, posee tres modos especiales para la optimización de su
funcionamiento. Estos modos mejoran la relación entre resolución y ruido, y serán explicados en detalle
en el capÃ−tulo siguiente.
• Distancia entre muestras.
Como se ha visto, la definición de la traza depende en gran parte del ancho del pulso. Sin embargo, la
definición máxima que el OTDR puede brindar es de 15.710 muestras, es decir, existe un número
máximo de muestras. La tabla 2.1 entrega una relación entre resolución y distancia de la medición.
Distancia de la Medición Resolución de Muestreo
Hasta 1.2 km.
0.080 m.
Hasta 2.5 km.
0.159 m.
Hasta 5 km.
0.318 m.
Hasta 10 km.
0.613 m.
Hasta 20 km.
1.27 m.
Hasta 40 km.
2.56 m.
Hasta 80 km.
5.09 m.
Hasta 120 km.
7.64 m.
Hasta 160 km.
10.18 m.
Hasta 200 km.
12.73 m.
Hasta 240 km.
15.36 m.
Tabla 2.1 Relación entre distancia de medición y resolución de muestreo.
Como se observa, la distancia a medir determina la distribución de los puntos de muestreo a lo largo de la
fibra. De esta forma surgen los conceptos de distancia de una medición y resolución de muestreo. Esta
última corresponde a la distancia entre dos muestras adyacentes.
• Tiempo de promediación.
Como ya se ha dicho, el OTDR inyecta pulsos en forma repetitiva dentro de la fibra. Los resultados de esos
disparos son promediados a lo largo del tiempo, lográndose mejoras en la uniformidad de la traza, ya que
dicha promediación reduce además el ruido aleatorio.
En la figura 2.14 (a) y (b) se visualizan distintos tiempos de promediación para una medición realizada en
un mismo tramo o enlace de aproximadamente 50 kilómetros.
Figura 2.14 Diferentes tiempos de promediación para un mismo enlace.
En la figura 2.14, (a) corresponde a una medición de solo diez segundos, en la que se puede observar una alta
cantidad de ruido que afecta la visualización de eventos más lejanos. En la medida en que el tiempo de
promediación es mayor, la traza comienza a hacerse más uniforme y con menor presencia de ruido. Esto
último se puede observar en (b), que corresponde a una muestra de 3 minutos.
• PARÃ METROS DE DESEMPEÃ O EN UN OTDR.
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Estos parámetros indican el desempeño del OTDR frente a una determinada medición y están
influenciados por los parámetros descritos en el punto anterior, además de la longitud de onda
correspondiente a la ventana en la cual se está trabajando y el Ã−ndice de refracción con el que se está
midiendo.
• Rango o alcance dinámico.
El rango dinámico se define como la diferencia en dB entre el nivel inicial de Retroespacimiento
(Backscatter) y el nivel de ruido que aparece en la medición de un enlace determinado. Permite indicar
parcialmente la distancia máxima que el OTDR es capaz de medir dentro de una fibra en un enlace. Los
valores tÃ−picos de este parámetro comprenden rangos de entre 20 y 50 decibeles.
Existen dos formas de especificar el rango dinámico. El primero realiza la diferencia entre el nivel inicial de
retrodispersión y los niveles peak de ruido que se registren, es decir, es una medida más cuidadosa, ya que
considera los valores más altos de ruido como referencia. La segunda forma de determinar el rango
dinámico consiste en medir desde el nivel inicial de retroesparcimiento hasta el nivel RMS del ruido
(también conocido como SNR=1), y que en la práctica mejora en aproximadamente 2 dB el desempeño
respecto de la otra especificación, ya que amplÃ−a el intervalo al considerar un promedio de los niveles de
ruido. La figura 2.15 muestra las dos alternativas anteriores de cómo es posible describir el rango dinámico
de un OTDR para un enlace determinado.
Figura 2.15 Estimación del rango dinámico de un OTDR para un enlace.
Como se ha dicho, con el rango dinámico se puede medir la distancia de un enlace, a través las
caracterÃ−sticas propias de la fibra, especÃ−ficamente con la atenuación kilométrica. Sin embargo, esta
distancia difÃ−cilmente corresponda a la absoluta, ya que dentro del un enlace existen otros factores que
acortan los valores de distancia máxima que es posible medir el OTDR.
En primer lugar, para poder realizar mediciones mediante un OTDR dentro de un lÃ−mite aceptable de
exactitud, se requiere de un rango de medición. Este rango varÃ−a según el fabricante, pero en general se
considera como un intervalo 3 dB menor al rango dinámico (forma Rms o SNR=1), ya que en los últimos 3
dB de éste, la capacidad para visualizar y medir eventos se complica debido al ruido.
Por ejemplo, si el rango dinámico en la fibra de la figura 2.15 fuese 30 dB y la atenuación kilométrica
0,30 dB/Km a 1550 nm, entonces se podrÃ−an medir 100 km. de distancia para un enlace que emplee esa
fibra en particular. Sin embargo, según la recomendación comentada en el párrafo anterior, se debiese
considerar un rango de medición 3 dB inferior al rango dinámico, según esto la distancia máxima a
medir serÃ−a  (30 dB - 3 dB) / 0.30 dB km a 1550nm = 90 km. Como se observa, la capacidad de alcance
del OTDR según el criterio anterior, ha disminuido 10 metros.
Otros factores que demuestran que el rango dinámico no necesariamente asegura una distancia de medición
determinada, y por ende, no asegura el correcto cálculo y visualización de todos los eventos en un tramo, es
el hecho de que el detector posee ruido propio de alrededor de 0,02 dB, que si bien es posible filtrar y
suavizar, es inevitable evitar su presencia en la traza y la posibilidad de que enmascare empalmes que tengan
pérdidas iguales o menores a esta magnitud.
Además, también debe considerarse la relación señal ruido a lo largo del enlace, que va disminuyendo
conforme aumenta la distancia. La habilidad de un OTDR para detectar empalmes está condicionado por
esta relación, es decir, un empalme con una pérdida determinada solo puede ser calculado hasta una
distancia especÃ−fica. La figura 2.16 muestra esta situación.
Figura 2.16 Distancia de visualización para empalmes de fusión.
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Como la tecnologÃ−a actual permite lograr empalmes menores a 0,1 dB, es que se requieren valores de
relación señal/ruido altos. La tabla 2.2 muestra la relación señal ruido requerida para poder visualizar
un empalme de un determinado valor.
Pérdida del Empalme Relación Señal Ruido requerida (SNR)
0,1 dB
8 dB
0,05 dB
10 dB
0,02 dB
12 dB
Tabla 2.2 Correspondencia entre la relación señal ruido y un empalme de fusión.
Como se observa, las magnitudes requeridas son altas, lo que demanda un rango dinámico elevado,
sobretodo si se trata de eventos que están a distancias lejanas. En la figura 2.17 se ejemplifica la relación
señal ruido requerida para poder medir un empalme de 0,02 dB.
Figura 2.17 Medición de un empalme de 0,02 dB.
En el punto del empalme se tiene una pérdida de 22 dB. Según la tabla 2.2, para empalmes que aplican
esta magnitud, se requiere una relación señal a ruido de a lo menos 12 dB. Sumando de ambas magnitudes
se obtienen 34 dB, valor que representa el mÃ−nimo rango dinámico que debiese entregar el OTDR en ese
punto en particular para poder medir el evento.
Suponiendo que cada división del eje horizontal de la figura 2.17 corresponda a 10 kilómetros, la
ubicación del empalme estarÃ−a aproximadamente a 57 kilómetros y el rango dinámico indicarÃ−a una
distancia máxima de alrededor de 72 kilómetros.
La diferencia entre estos valores corresponde a 15 km. De esta forma queda nuevamente demostrado que el
rango dinámico no garantiza una distancia absoluta de medición para todos los eventos que tenga un
enlace.
Por último, el rango de distancia que el OTDR puede cubrir, depende también del enlace que se está
midiendo y que incluye todos los componentes del diseño. Además de la pérdida propia de la fibra,
existe también la pérdida que agregan los eventos, desde el primer conector hasta el más pequeño
empalme, y que en conjunto alcanzan magnitudes mucho más altas que la atenuación kilométrica, que
pueden reducir el alcance dinámico notablemente.
Como conclusión, al efectuar una determinada medición, se debe realizar una estimación adecuada del
ancho del pulso a emplear, es decir, considerar adecuadamente la potencia que se aplicará a la fibra o enlace
puesto a prueba con el fin de obtener los mejores resultados. Esta estimación incluye además otras
consideraciones que tienen relación con el funcionamiento propio del OTDR. Las caracterÃ−sticas del
OTDR empleado en las experiencias realizadas serán revisadas en el capÃ−tulo 3 de este trabajo.
• Zona muerta o resolución de dos puntos.
Las zonas muertas son producidas por eventos reflectivos, ya sea conectores, empalmes mecánicos, conector
de salida, etc., y se consideran como puntos ciegos en la traza, debido a que las reflexiones causadas por
dichos elementos saturan fuertemente el receptor del OTDR como resultado de su alta sensibilidad.
La zona muerta también se conoce como resolución de dos puntos en un OTDR, ya que determina la
distancia mÃ−nima que puede separar a dos eventos para que estos puedan ser medidos. Existen dos
definiciones para la zona muerta las que son ampliamente aceptadas, y que se definen a continuación.
• Zona muerta de atenuación.
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Corresponde a una parte de la traza en donde una fuerte reflexión oculta datos de la medición. Esta zona
describe la distancia entre el flanco de subida de la reflexión y el flanco de bajada, hasta que este último
alcanza nuevamente el nivel de la señal de retroesparcimiento, dentro de un margen establecido. La figura
2.18 muestra una zona muerta de atenuación.
Figura 2.18 Zona muerta de atenuación.
Para este caso, la mayorÃ−a de los fabricantes sitúan un margen de ±0,5 dB en torno a la traza de
retrodifusión. Es decir, el punto en donde el receptor se ha recuperado 0,5 dB dentro del nivel de
retrodispersión.
A partir de este punto el OTDR puede medir atenuación y pérdida nuevamente, ya que posee la referencia
necesaria del nivel de retrodispersión.
El ancho de la zona muerta de atenuación, que para el ejemplo de la figura 2.18 es de 1 kilómetro, esta
determinado por la configuración del instrumento, principalmente por el ancho del pulso que se ajuste para
realizar la medición. Un ancho de pulso grande genera zonas muertas bastante amplias con tiempos largos de
recuperación, lo que puede hacer perder de vista eventos cercanos, mientras que uno más angosto
provocará zonas muertas más angostas con tiempos de recuperación cortos, lo que facilita la
visualización de eventos cercanos.
La zona muerta producida por el conector propio del OTDR tiene valores de alrededor de 10 metros para
pulsos cortos y 100 metros para pulsos largos.
• Zona muerta de eventos o sucesos.
Corresponde a la distancia mÃ−nima necesaria entre dos eventos del mismo tipo para verlos de forma
independiente. En este caso se considera la distancia desde donde comienza el flanco ascendente hasta el
punto donde el OTDR se ha recuperado 1,5 dB por debajo del peak de la reflexión. La figura 2.19
esquematiza esta definición.
Figura 2.19 Zona muerta de eventos.
Como se observa, en este punto se pueden identificar dos reflexiones que corresponden a eventos reflectivos
separados por una distancia corta el uno del otro. Esto es posible ya que entre ambos peaks se registra una
caÃ−da de 1,5 dB, valor mÃ−nimo necesario para identificar dos eventos cercanos según la definición dada
anteriormente. Si los sucesos estuviesen demasiado cercanos no se podrán separar y por lo tanto distinguir,
ya que no se registrarÃ−a la caÃ−da necesaria.
Para el caso de la figura 2.19, en donde cada división del eje horizontal corresponde a 50 metros, la zona
muerta de eventos es de aproximadamente 120 metros.
Finalmente, en este caso no es posible determinar la pérdida y la atenuación entre ambos eventos, ya que
no se da la referencia necesaria que proporciona en nivel de retroesparcimiento.
27
:2
Amplificación y Procesamiento de la señal Retroesparcida
:2
11
Generador Fuente Acoplador Fibra
de Impulsos à ptica (Láser) à ptico à ptica
Detector à ptico
Sincronismo
Visualizador Amplificador Integrador
Pout
Prefl
Pin
Elemento Atenuador
Elemento Atenuador
Pout
Prefl
Pin
12