출처: fibermall.co.kr
OTDR(Optical Time Domain Reflectometer)
이 장비는 최대 250km까지 광 통신 링크를 측정해 낼 수 있는 광 통신용 계측기이다.
수 초 이내에 전 구간의 손실과 각 부위의 손실을 측정해 내며 전 구간의 길이와 각 접점의 구간 길이를 측정해 낼 수 있다.
레일리 산란(Rayleigh Scatter) – 그림 15.7
광 섬유를 통해 빛이 전달되는 동안 레일리 산란에 의해 적은 비율의 손실이 발생한다. 일부 광입자는 광원을 향해 산란하기도 하는데 우리는 이것을 후방산란(Backscatter)이라고 한다.
후방산란의 세기는 입력파워에 의해 좌우되며 그림 15.8과 같이 먼 거리를 이동한 후 반사되어 오는 파워의 세기는 점점 약해진다.
OTDR은 계속해서 반사되어 나오는 후방산란 파워를 측정하여 광 링크상에서 발생되는 손실 값을 알아낸다. 커넥터와 융착 접속 점에서 전송 파워가 갑자기 줄어드는 현상을 감지하고 후방산란의 변화를 알아내어 문제발생 점 및 손실률을 규명해 낸다.
거리의 측정 – 그림 15.9
OTDR은 마치 레이더와 같은 방법으로 광 링크 상에서 응용된다. 광 펄스 신호를 내 보내고 광 링크로부터 돌아오는 반향 신호를 감지하는 것이다.
빛의 속도를 알 수 있다면 광 링크구간의 길이를 측정 하는 일은 어렵지 않다.
빛의 속도 알아내기
코어의 굴절률이 1.5라고 가정할 때, 적외선 광선의 유리 도파관 내에서의 속도는:
OTDR의 내부 구조 – 그림 15.10
타이머는 전압펄스(Voltage Pulse)를 만들고 레이저가 동작함과 동시에 타이밍프로세서를 구동 시킨다.
레이저 펄스(Pulsed Laser)
레이저는 매우 짧은 순간에 스위칭하며 변환 시간은 1ns ~ 10μs 이다. 레이저 펄스는 방법과 환경에 따라 선택적으로 사용된다.
지향성 커플러(Directive Coupler)
지향성 커플러는 테스트 하고자 하는 광 섬유 케이블 내에 레이저 광선을 입사하게 하는 역할을 한다. 광 섬유 케이블 전체로부터 발생되는 후방산란은 지향성 커플러를 향해 역방향으로 진행한다. 역방향으로 들어온 광선은 반사거울에 의해 애벨런치 포토 다이오드로 입사하게 되고 빛은 전기신호로 바뀌게 된다.
증폭(Amplifying)과 평균(Averaging)
애벨런치 포토 다이오드(APD)로부터 나오는 전기신호는 매우 약하기 때문에 화면에 디스플레이 하기 이전에 먼저 신호를 증폭 해야 한다. 평균화란 매우 흥미 있는 것으로 이장의 끝에서 다시 설명한다.
디스플레이(Display)
증폭된 신호는 화면을 가로질러 나타난다. 디스플레이 창은 오실로스코프의 CRT화면과 유사하기도 하고, 컴퓨터 모니터와 비슷하기도 하고, 전자계산기 창과 비슷하기도 하고, 노트북 컴퓨터와 비슷하기도 하다. 신호는 디스플레이 창을 X, Y 축으로 나누어 각각 dB와 거리의 좌표로 연속적으로 표시하게 된다.
그림 15.11에서 전형적인 OTDR의 표시 창을 보여주고 있다. 최대 거리 범위가 50km의 구간을 표시할 수 있으며, 20km ~ 70km와 같이 부분구간으로도 표시할 수 있다.
또한 0 – 5m, 25 – 30m 와 같이 짧은 구간 확대를 통해 보다 자세하게 볼 수 있다.
거리는 수평선상에 표시된 값이다. 보다 정확한 구간 거리 측정을 위해 마커(Marker) 기능을 사용하게 되는데 특정 구간과 구간 사이를 측정 할 때 매우 유용하다.
측정데이터의 처리
추후 분석을 위해 플로피 등과 같은 저장장치에 현재의 측정값을 기록할 수 있다. 또한 기록된 데이터는 RS232와 같은 시리얼 케이블을 통해 컴퓨터로 전송하게 된다. OTDR 자체에 프린터 기능을 포함하고 있는 것들도 있어 즉시 프린트 해서 보관 할 수도 있다.
간단한 측정의 예
300m의 광 케이블을 있다고 가정하고 OTDR을 통해 측정하면 그림 15.12와 같은 결과화면이 나타난다.
클리빙(Cleaving)된 광 섬유의 단면을 지나는 빛은 프레넬 반사(Fresnel Reflection)가 일어 난다. 실제 그림에서 보듯이 광 케이블의 종단과 커넥터가 붙어 있는 시작점에서 보면 큰 반사가 일어나는 것을 볼 수 있다. 사실 클리빙 단면이 아닌 그냥 절단된 광케이블에서도 이와 같은 현상을 볼 수 있다. OTDR 화면상 시작점에 나타나 있는 프레넬 반사는 레이저 파워가 매우 높은 관계로 높은 반사결과를 보이고 있다. 이는 수신증폭기를 통해 비교적 높은 펄스 에너지가 입사되는 관계로 나타난 것이다. 수신증폭기는 실제 레벨보다 큰 출력전압을 내 보낸다. 이러한 현상을 링잉(Ringing)이라고 한다. 정상적인 증폭기가 갑작스런 입력 레벨의 변화에 의해 발생하는 현상이다. 수신기는 이러한 갑작스러운 변화에 대해 안정화되는 시간은 수 나노초(nano second)의 시간이 걸린다.
데드존(Dead Zone)
프레넬 반사가 일어난 직후 증폭기가 회복되는 시간은 짧지만 이 사이에 입력되는 신호에 대해서는 응답할 수 없게 된다. 우리는 이것을 데드존(Dead Zone)이라고 부른다. 이것은 갑작스런 신호 진폭변화가 일어 날 때 마다 발생한다. 광 케이블이 시작되는 지점에서 발생되는 것을 시작 데드존이라고 하고 그 밖의 것들을 이벤트 데드존 이라고 한다. 또는 그냥 데드존이라고도 한다.(그림 15.13과 15.21 참조)
시작 데드존 없애기-그림15.14
시작 데드존의 거리는 대략 20m이다. 즉, 300m의 케이블을 280m 구간만 측정해 낼 수 있다는 것이다. 별로 즐겁지 않은 이야기다.
이 문제를 해결하기 위해 우리는 패치코드를 이용한다. 100m의 패치코드를 이용해 실제 측정해야 할 광 케이블과 만나기 전에 데드존을 없애버리는 것이다.
패치코드를 OTDR에 연결하고 측정하면 시작 지점에서 프레넬의 반사가 일어나 높은 진폭 변화와 파워 감소가 일어 나는 것을 확인 할 수 있다.
광 섬유의 길이와 감쇠
OTDR의 수평선상에 나타난 케이블의 길이표시가 400m 라며, 여기서 패치코드의 길이 100m를 빼야 실제 케이블의 길이 즉, 300m가 나온다.
패치코드의 프레넬 반사 직후 실제 케이블이 시작되는 지점에서 수직선상의 수치가 -10.8dB로 나타나고 300m의 끝 지점에서 -11.3dB 값이 나왔다면, 1km 단위 길이당 감쇠 값은 :
OTDR은 구간별 파워의 차이, 구간별 거리, km 단위 감쇠율을 계산해서 표시한다. 여기서 제공되는 값은 부분적으로 우리가 계산기를 이용해 작업하는 것보다 정확하고 정밀한 데이터를 제공한다.
OTDR 그래프의 해석
커넥터(Connector)
한 쌍의 커넥터에서는 광 섬유의 단면이 존재하는 관계로 파워의 손실과 프레넬 반사가 일어난다.
융착접속(Fusion Splice)
융착 접속 지점에서는 프레넬의 반사가 발생하지 않고 파워의 손실만 발생한다. 이는 광 섬유의 단면이 존재하지 않고 두 광 섬유가 융착되어 하나로 만들어 져있기 때문이다. 만약 이 지점에서 프레넬의 반사가 나타난다면 작업자의 실수로 잘못된 융착이 발생한 것이 틀림없다.
기계식 접속(Mechanical Splice)
기계식 접속 지점은 잘 못된 융착 접속 지점과 같은 모양으로 나타난다. 광 섬유에는 단면이 존재하지만 메칭젤로 인해 프레넬의 반사가 일어나지 않는다.
구부림 손실(Bending Loss)
구부림이 발생된 지점에는 반드시 파워의 손실이 발생한다. 아주 국소적으로 나타나게 되면 융착 접속 지점 또는 기계식 접속 지점과 구분하기 힘들다.
고스트 에코(Ghost Echoes) – 가반사
그림 15.7과 같이 발사된 빛 에너지 중 거리 100m 지점에서 광 케이블의 끝 커넥터로부터 반송되는 빛 에너지가 있다. 그 빛은 OTDR부터 최초의 광 케이블 단면에서 반사된 것으로 OTDR 연결 지점으로 되돌아와 다시 재 반사 하여 광 케이블로 재 입사되는 것이다. 이로 인해 예상하지 않은 결과가 화면에 나타나게 되는데 이를 고스트라고 한다.
패치코드에는 두 개의 단면이 존재 하고 있기 때문에 광 섬유 내에서 연속적인 반사가 일어날 수 있다. 그림 15.17에서 보듯 300m에서 2차 고스트 반사가 일어 날 수 있다.
2 개 이상의 고스트 현상이 일어난다는 것은 매우 드문 현상이다. 앞서 우리가 보았듯이 입사된 빛의 최대 프레넬 반사 값은 4%를 넘지 못한다. 통상 이것보다는 훨씬 적은 량의 빛이 반사된다.
예를 들어 최악의 프레넬 반사가 일어났다라고 가정해서 4%의 반사 에너지가 발생했다면, 이것이 다시 반사되어 보내는 에너지는 4%의 4%로 “0.042 = 0.0016 X 입력에너지” 가 된다. 따라서 두 번째 고스트 입사 에너지는 0.00000256 배의 에너지로 실제로 찾아보기 힘들다.
고스트는 2배의 거리에서 일어난다. 가령 387m에서 반사가 있었고 774m에서 이상 반사가 나타났다면 이것은 실제 문제 발생 점 또는 고스트 둘 중 하나가 된다. 고스트 반사는 프레넬 반사이자만 어떠한 손실(Loss)도 일어나지 않는다. 매우 미약한 에너지 감소로 화면에 표시되지 않는다. 또한 광 케이블의 길이보다 뒤에 있는 거리에서 반사가 일어났다면 이것은 고스트에 의한 것임이 틀림없다.
펄스대역폭 변화와 영향
측정 범위의 최대 값은 광 펄스가 가지고 있는 에너지에 의해 결정된다. 빛은 광 섬유 따라 진행하고, 반사되고 OTDR로 돌아오게 된다. 또한 그 신호는 산재되어 있는 노이즈의 진폭보다 크다. 지금 펄스 내에 있는 에너지는 펄스의 길이에 비례하며 최대 측정거리를 확보하기 위해서는 가능한 최대 펄스 대역폭의 것을 사용하는 것이 좋다. 그림 15.18을 참조하기 바란다.
대부분의 OTDR은 넓은 펄스 대역을 제공하기 때문에 이것이 다가 아니다.
빛이 5ns(나노초) 동안 1m 를 전진하는 것이라고 하면 100ns 펄스대역을 가진 것은 20m를 전진할 수 있을 것이다. (그림 15.19)
그 빛이 커넥터와 같은 이벤트 지점에 이르게 되면 갑작스런 파워레벨의 감소와 빛의 진행과 반대방향으로 반사가 발생한다. OTDR로 돌아가는 것은 20m 반사이다. 모든 이벤트 지점에서 발생하는 반사는 20m 펄스 반사이다.
이벤트 지점의 거리가 10m이내인 그림 15.20과 같은 상황을 가정해 보자. 두 지점의 반사는 중첩 될 것이고 반사되는 진행 경로상에서 합쳐져 버릴 것이다. 두 개의 이벤트는 매우 구분하기 힘들며 하나로 합쳐서 해석되게 될 것이다. 가령 예를 들어 각각 0.2dB의 손실을 가진 접속 점이 있다면 하나의 접속 점으로 인식하고 0.4dB로 표시하게 될 것이다. 이러한 이유로 OTDR에는 두 이벤트를 구분해 낼 수 있는 최소 거리인 구분한계(Discrimination Range)라는 것이 있다.
OTDR 상에서 가장 짧은 펄스 대역으로 10ns를 사용 한 다면 2m인 광 섬유의 펄스 길이는 5nsm-1 일 것이다. 구분한계는 절반으로 1m 이상이 되면 2개의 이벤트로 구분하게 된다. 두 번째 10μs 스케일의 최대 구분한계는 1km 가 된다.
펄스 대역의 변화로 생기는 것 중 다른 하나는 데드존(Dead Zone) 이다. 펄스 내부에서 증가되는 에너지는 프레넬 반사에 의해 생기는 것이다. 그림 15.21과 같이 증폭기가 데드존으로부터 회복 하는대는 보다 많은 시간이 필요하다.
어떠한 펄스 대역을 사용 할 것인가?
대부분의 OTDR은 최소 5가지의 서로 다른 레이저 펄스를 제공한다.
낮은 펄스 대역은 이벤트 분해능력은 뛰어나지만 에너지 량이 적어 최대 측정거리가 짧은 특징을 가지고 있다. 10ns의 펄스 대역은 최대 1km의 측정능력과 1m의 분해 능력을 갖는다.
보다 넓은 대역의 펄스는 측정범위가 더 길어 진다. 하지만 구분한계가 나빠져 분해 능력은 떨어진다. 1μs의 펄스 대역의 경우 40Km까지 측정이 가능하지만 100m 이하의 이벤트를 구분해 낼 수 없다.
평균화(Averaging)
광 섬유로부터 발생된 후방산란 에너지는 매우 미약하며 높은 잡음신호(Noise)를 포함하고 있다.
잡음신호는 불규칙하다. 따라서 이러한 진폭은 일정시간을 평균한 것으로 만들어야 한다. 이것이 평균화의 목적이다. 입사되는 신호는 화면에 보여지기 전에 먼저 저장되며 평균화된다. 높은 값들은 평균화되어 최종 값으로 만들어진다. 이 과정은 실제로 천천히 이루어 지는데 이는 테스트가 진행되는 동안 새로운 변화에 대응하기 위해서이다. 평균화는 최소 제곱근 평균화(Least Squares Averaging) 또는 LSA에 의해 만들어진다.
그림 15.22 잡음현상을 없애고 평균화되는 것을 보여주고 있다. 때때로 실시간 스캔이 유용할 때도 있다. 커넥터 연결 상태를 눈으로 확인하고자 할 때, 기계식 접속 상태를 확인하고자 할 때 유용하다.
다이나믹 레인지(Dynamic Range)
프레넬 반사 에너지가 OTDR 수신회로에 문제를 일으킬 만큼 높아서는 안될 것이다. 또한 입사된 빛 에너지는 광 섬유 케이블을 통해 이동 함으로써 그 에너지는 점점 약해지고 결국 잡음신호로 변질 될 것이다.
입력파워의 최고 수치와 감지할 수 있는 최소 파워의 차이를 OTDR의 다이나믹 레인지(Dynamic Range)라고 한다. 펄스 대역과 광 섬유 손실 등을 고려하여 유용한 측정범위를 결정하여야 한다. 만약 OTDR의 다이나믹 레인지가 36dB 이고, 2dBkm의 손실을 가진 케이블이 있다면 최대 18Km의 측정이 가능할 것이고, 0.5dBkm의 손실을 가진 케이블이 있다면 72km 까지 측정이 가능할 것이다. 이것은 36dB에 대한 곱셈 조합으로 쉽게 만들 수 있다.
