La ponencia se presentó en: VIII Reunión Española de Optoelectrónica OPTOEL’13 , celebrado los días 10-12 de Julio de 2013, lugar de celebración Alcalá de Henares (España).En este trabajo, se muestran los resultados obtenidos durante la evaluación experimental de un método de localización de cortes en enlaces full-dúplex de fibra óptica, empleando un método alternativo a medidas con Reflectómetros Ópticos en el Dominio del Tiempo (OTDR). El método utilizado consiste en comparar los tiempos de caída en los dos extremos del enlace de manera sincronizada cuando se produce un corte de fibra. Se han evaluado dos tipos de tecnologías de fibra, multimodo y monomodo, analizando las prestaciones del método en cada caso y para varios tipos de rotura de cable, considerando y comparando la precisión de las medidas así como las máximas distancias soportadas.Este trabajo ha sido financiado
por los proyectos CICyT TEC2012-37983-C03-02 y FP7-ICT-2011 DISCUS
(318137).European Community's Seventh Framework ProgramPublicad

Montalvo García, Julio

Pedreira Conchado, Pablo

Sánchez Montero, David Ricardo

Vázquez García, María Carmen

Universidad Carlos III de Madrid e-Archivo

8ª Reunión Española de Optoelectrónica, OPTOEL’13  - 1 - D.S. MONTERO et al. Localización de Fallos en Enlaces Full-Duplex de Fibra Óptica Mediante Detección Sincronizada de Tiempos de Caída Fault Location in Full-Duplex Optical Fibre Links Using Synchronized Decay Time Detection David S. MONTERO (1), Pablo PEDREIRA (2), Carmen VÁZQUEZ (1), Julio MONTALVO (3) 1. Grupo de Displays y Aplicaciones Fotónicas (GDAF). Dpto. Tecnología Electrónica, Universidad Carlos III de Madrid, Avda. de la Universidad 30, 28911, Leganés, Madrid. 2. Dpto. Tecnología Electrónica, Universidad Carlos III de Madrid, Avda. de la Universidad 30, 28911, Leganés, Madrid. 3. Evolución de Red de Acceso, Telefónica I+D, D. Ramón de la Cruz 82, 28006, Madrid. Persona de contacto: David S. Montero (dsmontero@ing.uc3m.es). RESUMEN: En este trabajo, se muestran los resultados obtenidos durante la evaluación experimental de un método de localización de cortes en enlaces full-dúplex de fibra óptica, empleando un método alternativo a medidas con Reflectómetros Ópticos en el Dominio del Tiempo (OTDR). El método utilizado consiste en comparar los tiempos de caída en los dos ex-tremos del enlace de manera sincronizada cuando se produce un corte de fibra. Se han evaluado dos tipos de tecnologías de fibra, multimodo y monomodo, analizando las pres-taciones del método en cada caso y para varios tipos de rotura de cable, considerando y comparando la precisión de las medidas así como las máximas distancias soportadas.  Palabras clave: Localización de Fallos, Corte de Fibra, Fibra Multimodo, Fibra Monomodo, Reflectómetro Óptico en el Dominio del Tiempo, Redes Ópticas Pasivas ABSTRACT: In this work, the results obtained during the experimental evaluation of a fibre-fault loca-tion method in full-duplex fibre links, employing an alternative method to Optical Time Domain Reflectometer measurements, are reported. The utilized method consists of com-paring the decay times at both ends of the fiber link in a synchronized way, when a fibre cut occurs. Two types of fibre technologies have been evaluated, Multimode and Single-mode, thus analyzing the performance of the method in each case and for different types of fiber cuts, considering and comparing the accuracy and the maximum distance sup-ported.  Key words: Fault Location, Fibre Cut, Multimode Fibre, Singlemode Fibre, Optical Time Domain Reflectometer, Passive Optical Networks (PON)  1.- Introducción Los equipos más comúnmente utilizados para supervisar la capa física de infraestructuras de fibra óptica son los Reflectores Ópticos en el Dominio del Tiempo (siglas en inglés: OTDR). Estos equipos transmiten una señal óptica de supervisión modulada por pulsos eléctricos periódicos inyectados en las fibras que se desea supervisar. Mediante la recep-ción de la señal de retroesparcimento refleja-da y su correlación temporal con la distancia, - 156 - - 157 -VIII Reunión Española de Optoelectrónica, OPTOEL’13índice8ª Reunión Española de Optoelectrónica, OPTOEL’13  - 2 - D.S. MONTERO et al. estos equipos son capaces de caracterizar la condición de la fibra supervisada [1,2].  No obstante, debido al bajo coeficiente de retroesparcipiento en la fibra (típicamente en torno a -80 dB para pulsos de 1ns), este tipo de dispositivos requiere una sensibilidad altísima en sus receptores así como altos valores de promediado (y tiempo asociado) de medidas para obtener la resolución desea-da.  El problema de la sensibilidad es todavía mayor en este tipo de equipos en el caso de Redes Ópticas Pasivas ( PON, Passive Opti-cal Network), ya que se trata normalmente de redes que utilizan divisores de potencia ópti-ca que provocan una atenuación adicional muy alta en las señales ópticas. Se suma a esta dificultar el reto tecnológico del solapa-miento de las reflexiones en diferentes ramas después de los divisores de potencia, ya que las redes PON tienen una topología física punto a multipunto. En este trabajo, se evalúa experimentalmente una técnica alternativa a los OTDR, basada en la detección sincronizada en dos extremos de un enlace de fibra, de la atenuación pro-ducida por un fallo en un punto intermedio [3], empleando dos longitudes de onda dedi-cadas a supervisión óptica en tiempo real. 2.- Descripción del método de localiza-ción de cortes utilizado Dado un enlace de fibra entre dos dispositi-vos ópticos A y B, véase la Fig. 1, con res-pectivos relojes sincronizados CLKA y CLKB, respectivamente, se consideran los siguientes parámetros: ??λa= portadora óptica usada en sentido A-B.  ?? ????= Índice de refracción efectivo en la fibra en la longitud de onda λa ??λb= portadora óptica usada en sentido B-A. ? ????= Índice de refracción efectivo en la fibra en la longitud de onda λb ??L = Longitud del enlace de fibra entre A y B.  En un cierto punto del enlace, un corte en la fibra a la distancia L0 provoca una atenua-ción en el instante T0, y dicha atenuación se propaga hacia los dos extremos del enlace en ambas portadoras ópticas λa y λb. Se consideran La y Lb las distancias del pun-to de fallo a los dispositivos A and B, respec-tivamente. En un determinado instante, los dispositivos A y B detectan una pendiente atenuación en las señales ópticas, y cuando la atenuación supere un determinado límite, registrarán el tiempo en que dicha condición se produce. Considerando que existen relojes sincroniza-dos en los dispositivos A y B, los instantes registrados en cada uno de ellos en el mo-mento en que la atenuación de la señal reci-bida ha superado un determinado límite son, respectivamente,                         ??????????????????????????? (1)                          ????????????????????????????? siendo c la velocidad de la luz en el vacío.    Fig. 1: Esquema del método de localización de fallos en enlaces ópticos dúplex. Considerando el siguiente sistema de ecua-ciones   L=La+Lb (3)        |Ta-????? ?????????– ?????????? (4) es posible determinar los valores de La y Lb, que son los dos únicos valores desconocidos en el sistema, localizando de ese modo el punto de localización del fallo. 3.- Montaje experimental, resultados obtenidos y discusión Para la verificación del método de localiza-ción de fallos propuesto se han empleado dos fuentes láser DFB (Distributed Feedback laser) inyectando potencia óptica en continua a diferentes longitudes de onda: λa=1310nm, λb=1550nm en un primer caso; y - 157 -VIII Reunión Española de Optoelectrónica, OPTOEL’13 VIII Reunión Española de Optoelectrónica, OPTOEL’13índice8ª Reunión Española de Optoelectrónica, OPTOEL’13  - 3 - D.S. MONTERO et al. λa=1530nm, λb=1550nm en un segundo caso. Se han empleado dos tipos de fibra óptica: fibra monomodo estándar (SMF, Sin-gleMode Fiber) 9/125µm y fibra multimodo (MMF; MultiMode Fiber) de índice gradual (GI) 62.5/125µm. La señal óptica es redirigi-da a dos fotodetectores de banda ancha (Agi-lent 83440C, 0-20GHz) mediante sendos circuladores ópticos. Las trazas de ambos fotodetectores (PD) fueron capturadas con un osciloscopio digital operando con una tasa de muestreo de 6.25GS/s. El montaje experi-mental se muestra en la Fig.2. E45E45aλ bλaL bLPD1 PD2Fallo ópticoDFB-1 DFB-2 Fig. 2: Montaje experimental. Las siguientes figuras muestran ejemplos de las señales detectadas en recepción y del retardo producido entre ambas cuando se produce una rotura del enlace de fibra para diferentes condiciones de operación. Para su representación y posterior tratamiento ambas señales han sido previamente normalizadas.   4.98 5 5.02 5.04 5.06 5.08x 10-300.10.20.30.40.50.60.70.80.91Tiempo (s)Voltaje Normalizado (u.a.)aλ =1550nmbλ =1530nmSMF	   e-­‐6  Fig. 3: Transitorio de rotura en enlace de fi-bra monomodo con La=4250m, Lb=500, λa=1.53µm, . λa=1.55µm.      2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5x 10-300.10.20.30.40.50.60.70.80.91Tiempo (s)Voltaje normalizado (u.a) aλ =1550nmbλ =1310nmx	  10e-­‐6SMF Fig. 4: Transitorio de rotura en enlace de fi-bra monomodo con La=1000m, Lb=500m, λa=1.31µm, λb=1.55µm.                                     (a) 4.96 4.98 5 5.02 5.04 5.06 5.08 5.1x 10-300.10.20.30.40.50.60.70.80.91Tiempo (s)Voltaje normalizado (u.a.)aλ =1550nmbλ =1310nmx	  10e-­‐6MMF                                   (b) 4.96 4.98 5 5.02 5.04 5.06 5.08 5.1 5.12x 10-300.10.20.30.40.50.60.70.80.91Tiempo (s)Voltaje Normalizado (u.a.) aλ =1550nmbλ =1530nmx	  10e-­‐6MMF Fig. 5: Transitorio de rotura en enlace de fi-bra multimodo con: (a) La=Lb=3050m, λa=1.31µm, λb=1.55µm; (b) La=Lb=3050m, λa=1.53µm, λb=1.55µm Para la posterior validación de los resultados experimentales mostrados anteriormente se consideraron los siguientes índices de refrac-?????????????????????λ), para una fibra óptica ????????? ??? ???????? ??????µm=1.4676, ???????µ?????????? ?? ???????µm=1.4682, respectivamente.  8ª Reunión Española de Optoelectrónica, OPTOEL’13  - 4 - D.S. MONTERO et al. Por el contrario, el cálculo de los índices de ??????????? ?????????? ?????λ) en una fibra multimodo de índice gradual, se realizó me-diante la aproximación dada por la ecuación de Sellmeier de tercer orden [4]. Los coefi-cientes utilizados para dicha aproximación fueron idénticos a los publicados en [5]. De la evaluación de dicha ecuación se obtuvie-ron los siguientes índices de refracción efec-????????????λ), para una fibra óptica de sílice multimodo de índice gradual con núcleo de sílice dopado con 6.3%-mol de GeO2: ??????µm=1.4558, ???????µm=1.4542 y ???????µm=1.4533, respectivamente, ver Fig. 6. 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.61.441.4451.451.4551.461.4651.47Longitud de onda (um)n1 (6.3mol-%)n2n1 (7.5mol-%)Wavelength (µm)cl2ccn1ccnLongitud	  de	  onda	  (µm)Índice	  de	  refracción Fig. 6: Índice de refracción del núcleo (ncc1) vs longitud de onda para una fibra óptica multimodo con núcleo de sílice dopado con 6.3%-mol de GeO2.  Tipo de fibra Experimento |Ta-Tb| medido |Ta-Tb| teórico Error en medi-da distancia fallo SMF La=4250m, Lb=500m λa=1.53µm, λb=1.55µm 8.51 µs 8.537 µs |12.0| m La=4250m, Lb=500m λa=1.31µm, λb=1.55µm 8.58 µs 8.540 µs |17.4| m La=1000m, Lb=500m λa=1.31µm, λb=1.55µm 1.17 µs 1.136 µs |14.9| m MMF La=Lb=3050m λa=1.53µm, λb=1.55µm 19.08 ns 18.592 ns |0.213| m La=3050m, Lb=2m λa=1.53µm, λb=1.55µm 6.95 µs 7.014 µs |14.9| m La=Lb=3050m λa=1.31µm, λb=1.55µm 13.03 ns 11.846 ns |0.516| m La=3050m, Lb=2m λa=1.31µm, λb=1.55µm 6.99 µs 7.008 µs |16.3| m  Tabla 1: Resumen de los resultados experimentales obtenidos y comparativa con los valores teóricos esperados.Para el análisis de la distancia donde se pro-duce la rotura a partir de las medidas realiza-das se computó la diferencia de tiempos en el punto dónde la potencia óptica recibida cae un 50% respecto de su valor nominal. En la Tabla 1 se muestran los valores medidos de diferencia de tiempos entre ambas señales recibidas una vez se produce la rotura. Tam-bién se muestra el valor teórico esperado de dicho retardo mediante la evaluación de la ecuación (4), con los valores de índices de refracción efectivos anteriormente mencio-nados. Por último, se indica el error en la estimación de la distancia de rotura de la - 158 - - 159 -VIII Reunión Española de Optoelectrónica, OPTOEL’13índice8ª Reunión Española de Optoelectrónica, OPTOEL’13  - 4 - D.S. MONTERO et al. Por el contrario, el cálculo de los índices de ??????????? ?????????? ?????λ) en una fibra multimodo de índice gradual, se realizó me-diante la aproximación dada por la ecuación de Sellmeier de tercer orden [4]. Los coefi-cientes utilizados para dicha aproximación fueron idénticos a los publicados en [5]. De la evaluación de dicha ecuación se obtuvie-ron los siguientes índices de refracción efec-????????????λ), para una fibra óptica de sílice multimodo de índice gradual con núcleo de sílice dopado con 6.3%-mol de GeO2: ??????µm=1.4558, ???????µm=1.4542 y ???????µm=1.4533, respectivamente, ver Fig. 6. 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.61.441.4451.451.4551.461.4651.47Longitud de onda (um)n1 (6.3mol-%)n2n1 (7.5mol-%)Wavelength (µm)cl2ccn1ccnLongitud	  de	  onda	  (µm)Índice	  de	  refracción Fig. 6: Índice de refracción del núcleo (ncc1) vs longitud de onda para una fibra óptica multimodo con núcleo de sílice dopado con 6.3%-mol de GeO2.  Tipo de fibra Experimento |Ta-Tb| medido |Ta-Tb| teórico Error en medi-da distancia fallo SMF La=4250m, Lb=500m λa=1.53µm, λb=1.55µm 8.51 µs 8.537 µs |12.0| m La=4250m, Lb=500m λa=1.31µm, λb=1.55µm 8.58 µs 8.540 µs |17.4| m La=1000m, Lb=500m λa=1.31µm, λb=1.55µm 1.17 µs 1.136 µs |14.9| m MMF La=Lb=3050m λa=1.53µm, λb=1.55µm 19.08 ns 18.592 ns |0.213| m La=3050m, Lb=2m λa=1.53µm, λb=1.55µm 6.95 µs 7.014 µs |14.9| m La=Lb=3050m λa=1.31µm, λb=1.55µm 13.03 ns 11.846 ns |0.516| m La=3050m, Lb=2m λa=1.31µm, λb=1.55µm 6.99 µs 7.008 µs |16.3| m  Tabla 1: Resumen de los resultados experimentales obtenidos y comparativa con los valores teóricos esperados.Para el análisis de la distancia donde se pro-duce la rotura a partir de las medidas realiza-das se computó la diferencia de tiempos en el punto dónde la potencia óptica recibida cae un 50% respecto de su valor nominal. En la Tabla 1 se muestran los valores medidos de diferencia de tiempos entre ambas señales recibidas una vez se produce la rotura. Tam-bién se muestra el valor teórico esperado de dicho retardo mediante la evaluación de la ecuación (4), con los valores de índices de refracción efectivos anteriormente mencio-nados. Por último, se indica el error en la estimación de la distancia de rotura de la - 159 -VIII Reunión Española de Optoelectrónica, OPTOEL’13 VIII Reunión Española de Optoelectrónica, OPTOEL’13índice8ª Reunión Española de Optoelectrónica, OPTOEL’13  - 5 - D.S. MONTERO et al. fibra mediante la comparativa del valor teóri-co con el valor esperado. De los valores obtenidos en la Tabla 1 se refleja que los errores en la estimación de la distancia de rotura para las diferentes situa-ciones son debidos principalmente a la impo-sibilidad de ajustar la ventana de captura de datos del osciloscopio para un retardo entre ambas señales ópticas del orden de µs con resoluciones de ns de manera simultánea.  Sin embargo, en una futura implementación real de un sistema de monitorización de loca-lización de fallos con el método propuesto en este trabajo este problema quedaría inheren-temente resuelto. Ambos nodos centrales, situados entre ellos a una distancia L=La+Lb, deberán utilizar un reloj CLK de sincronismo común para sus equipos, independientes en-tre sí, pero podrían ajustar sus ventanas de captura de datos del orden de nanosegundos. De esta manera la influencia del transitorio y/o del retardo entre ambas señales ópticas, que puede llegar a ser del orden de decenas de µs en función de las distancias del enlace, se eliminaría, capturando los datos con la mayor precisión posible proporcionada por ambos circuitos de detección. Por otra parte, esta limitación no aparece para las medidas realizadas con longitudes de enlace La y Lb muy próximas entre sí, obte-niéndose resoluciones por debajo de unida-des de metros. Las discrepancias que apare-cen en la estimación de la distancia respecto de estas medidas pueden deberse fundamen-talmente a los valores de índices de refrac-ción efectivos considerados para cada longi-tud de onda y debido al carácter aleatorio de la velocidad de caída en cada corte [6], que asimismo puede diferir para cada longitud de onda. No se aprecian diferencias significati-vas entre los resultados experimentales obte-nidos para fibra monomodo y fibra multimo-do, respectivamente. 4.- Conclusiones Se ha propuesto y demostrado un método de localización de cortes o roturas en enlaces de fibra óptica. Este método emplea el análisis de la diferencia de tiempos de vuelos que sufre la luz en la fibra óptica hasta llegar al fotodetector una vez se produce la rotura de la misma en un punto arbitrario del enlace. Se han analizado diferentes longitudes de onda de operación y diferentes distancias de rotura. Del análisis de los resultados experimentales y con el equipamiento utilizado se han obte-nido resoluciones de menos de 1 metro en la localización del punto de ruptura, para el caso más favorable. Este dato de resolución mejora en, al menos, un orden de magnitud los publicados en [3], y es comparable a los publicados en [6] bajo similares condiciones de tiempos de caída en ambas señales ópti-cas.  En un sistema real, donde cada nodo extremo del enlace dispondrá de equipamiento inde-pendiente, es de esperar que con el sistema de monitorización propuesto en este trabajo se obtengan resoluciones similares para cual-quier distancia de rotura, independientemente del retardo producido por ambas señales ópticas. El sistema de monitorización propuesto pue-de ser implementado para la medida en tiem-po real de la rotura de un enlace de fibra y su posterior evaluación de la distancia de ruptu-ra. Como inconveniente presenta el empleo de dos canales ópticos de monitorización dedicados, operando a λa y λb, respectiva-mente. La imprecisión en cuanto al valor índice de refracción efectivo a las longitudes anteriores de las fibras desplegadas en el enlace y la aleatoriedad de la velocidad de caída de potencia en función del corte son factores de incertidumbre y de error en la medida de la distancia que ha de tenerse también en cuenta. La técnica propuesta es potencialmente apli-cable a redes ópticas pasivas (PON) como sistema embebido de supervisión permanente alternativo a técnicas basadas en OTDRs, resolviendo el problema del solapamiento entre trazas y la atenuación de los divisores ópticos utilizados para la distribución de señales.  Agradecimientos: Este trabajo ha sido finan-ciado por los proyectos CICyT TEC2012-37983-C03-02 y FP7-ICT-2011 DISCUS (318137). - 160 - - 161 -VIII Reunión Española de Optoelectrónica, OPTOEL’13índice8ª Reunión Española de Optoelectrónica, OPTOEL’13  - 6 - D.S. MONTERO et al. Referencias [1] W. CHEN, B. DEMULDER, J. VANDEWEGE and X.Z. QIU, “Embedded OTDR monitoring of the fiber plant behind the PON power splitter”, en Proc.. Symp. IEEE/LEOS Benelux Chap., Eindhoven, 13-16, 2006. [2] S. PARK, J. BAIK and C. LEE, “Fault-detection technique in a WDM-PON”, Optics Express, 15, 4, 1461-1466, 2007. [3] P. COCHRANE, A. R. HUNWICKS and P. A. ROSHER, “Novel Fibre Break Locator for Optical Duplex Transmission Systems”, Electronics Letters, 3, 9, 440-442, 1987. [4] G. GLOSH, M. ENDO and T. IWASAKI, “Temperature-dependent Sellmeier coefficients and chromatic dispersion for some optical fiber glasses”, Journal of Lightwave Technology, 12, 8, 1338-1342, 1994. [5] D.S. MONTERO, “Multimode Fibre Broadband Access and Self-Referencing Sensor Networks”, Tesis Doctoral, Dpto. Tecnología Electrónica, Universidad carlos III de Madrid, Marzo 2011. [6] S. ZEMON, A. BUDMAN, T. WEI, E. EICHEN and K. T. MA, “Decay of Transmitted Light During Fiber Breaks – Implications for Break Location”, Journal of Lightwave Technology, 12, 9, 1532-1535, 1994.  - 161 -VIII Reunión Española de Optoelectrónica, OPTOEL’13 VIII Reunión Española de Optoelectrónica, OPTOEL’13índice

Fault location in full-duplex optical fibre links using synchronized decay time detection

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Fault location in full-duplex optical fibre links using synchronized decay time detection

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