The basic principle of OTDR

The basic principle of OTDR

In order to ensure the quality of service (QoS), network operators, service providers and operators need to precisely locate the existing and potential problems, which makes the crucial test and measurement equipment. There are many testing tools can be used in different stage of the network, to meet the different test demand, such as fiber test run. These tests are used to reveal the total loss, optical return loss (ORL) and fiber length, can be in a single fiber or perform in the complete network. In addition, you might need to do further examination of the different elements of the measured link. Whether the characteristics of each element in the identification of link, the potential problems locating fiber, or find fault in the network, will inevitably have to use optical time domain reflectometer (OTDR) from the optical network test run to failure diagnosis and maintenance, OTDR is the ideal choice. This paper introduces the basic principle of OTDR, is very important to understanding the instrument specifications.

                     Chart 1: The principle of OTDR

Reflection is the key 

As mentioned earlier, OTDR by reading from the light level transmitted pulse returned to display the link condition. Please note, a reflection of two types: fiber produced by continuous low-level don't just called Rayleigh back scattering, high reflection peak at the connection point is called the Fresnel reflex. Rayleigh backscattering is used as the distance function to calculate the attenuation level in optical fiber (unit dB/km), appears as a straight slope at the OTDR locus in. The reflection and absorption of the phenomenon from the fiber internal impurities inherent. When light hits the impurities, some particles will redirect light to different directions, and the signal attenuation and backscatter. The longer wavelengths, less attenuation, therefore, in the standard optical fiber transmission power for the same distance required for the smaller. Figure 2 illustrates the Rayleigh backscatter.

Chart 2. Rayleigh 

Second kinds of reflection OTDR use (Fresnel reflex) physical events can detect link along. When the refractive index of light reaching the mutation position (for example, from glass to air), a large part of the light is reflected back, Fresnel reflection, it may be better than Rayleigh backscatter intensity thousands of times. The Fresnel reflection can be recognised by the OTDR track spike. Reflection such example connector, mechanical joints, fiber, fiber fracture or open the connector. Figure 3 illustrates the different connections to produce Fresnel reflex.

Chart 3.  (1) Mechanical joint、(2) Fiber optic adapter (3) Connected open Fresnel reflection

 What is the blind area? 

The Fresnel reflection leads to an important OTDR specifications, namely blind. There are two kinds of blind: events and attenuation. The two blind spots are generated by the Fresnel reflection, the reflected power change with different distance (meters) to represent. Blind zone is defined as the duration, in the meantime detector by high intensity reflected light effect of temporary "blindness", until it returned to normal to re read the optical signal now, imagine, when you night driving and oncoming vehicles meet, your eyes will be short-term blindness. In the OTDR field, time into the distance, therefore, reflecting more, detector to restore the normal time is longer, leading to longer blind. The vast majority of manufacturers with the most short pulse width and single mode fiber, multimode fiber -45 dB -35 dB to specify the blind reflex. Therefore, reading the specification table footnote is very important, because the manufacturers use different test conditions measurement blind area, with particular attention to the pulse width and reflectance. For example, single mode fiber -55 dB reflection provides specifications than shorter blind blind is obtained using the -45 dB, just because -55 dB is a lower reflection, detector and faster recovery. In addition, the use of different methods of calculating the distance will get a shorter than the actual value of the blind.

The blind area

The blind area is Fresnel reflection events events after OTDR in which can detect the minimum distance of another event. In other words, is the minimum fiber length needed between the two reflection events. Still with the previously mentioned drive as an example, when your eyes because of strong light of the opposite vehicle stimulation is not opened, a few seconds later, you will find that there are objects on the road, but you can't identify it correctly. Turned to OTDR, can be detected by continuous event, but can not measure the loss (as shown in Fig. 4). OTDR combined with continuous event, and returns a global reflex and the loss of all the merged event. In order to establish the specifications, the industry the most common ways are between each side of the -1.5 dB to measure the reflection peak distance (see Figure 5). Can also use another method, namely the measurement of reflection from its peak level until down to -1.5 dB at the distance from the beginning of the event. Blind the method returns a longer, manufacturers use less.

Chart 4. With long blind event

Chart 5. Event dead zone

The OTDR event blind short is very important as far as possible, so that it can detect the close proximity of the event in the link. For example, in building networks in the test requirements of OTDR event blind area is very short, because the fiber jumper connecting various data center is very short. If the area is too long, some connectors may be missed, and technical personnel can't identify them, which makes the problem more difficult to locate potential.

Attenuation area

The attenuation area is Fresnel blind blind after reflection, OTDR can in the minimum distance the accurate measurement of continuous event loss. Also using the above example, over a long time, your eyes to fully recover, able to attribute recognition and Analysis on possible objects. As shown in Figure 6, the detector has enough time to recover, so that it can detect and measure continuous event loss. The minimum distance required to start from the reflection events, until the reflection is reduced to optical backscatter level 0.5 dB, as shown in figure 7.

The importance of the short decay .

The blind OTDR not only can detect the continuous event, also be able to return to the close proximity of the event loss. For example, you can now learn loss network short fiber, which can help technicians to clearly understand the situation within the link.

Blind is also affected by other factors: pulse width. Specifications using the shortest pulse width in order to provide the shortest blind. However, the blind are not always the same length, with the pulse broadening, the blind will stretch. The use of the longest possible pulse broadband will lead to blind particularly long, but which has a different purpose, the mentioned below.

Dynamic range

 The dynamic range is an important parameter of OTDR. This parameter has revealed the largest loss of light scattering level down to the specific noise level from OTDR port back OTDR analysis. In other words, this is the biggest fiber length pulse can reach. Therefore, the dynamic range (unit dB) bigger, longer distance can reach. Obviously, the maximum distance is different in different applications, because the loss measured link different. Connectors, welding and beam splitter is reduce the maximum length of OTDR. Therefore, in a long period and use the appropriate range is to increase the maximum critical distance measurement. Most of the dynamic range of specifications is to use the long pulse width of three min on average, signal to noise ratio (SNR) =1 (root mean square (RMS) value of the average level of noise) and given. Again, please note, carefully read the detailed test specifications footnote mark is very important.

Empirically, we recommend choosing dynamic range than the maximum loss may have 5 to 8 dB OTDR. For example, the use of dynamic range is the single mode OTDR 35 dB can meet the need of dynamic range at about 30 dB. Assuming typical fiber typical at 1550 nm attenuation of 0.20 dB/km, one in every 2 kilometers welding (each splicing loss of 0.1 dB), a device that can accurately measure the distance up to 120 km. The dynamic range of maximum distance can use fiber attenuation from OTDR and calculate the approximate value. Dynamic range which helps determine the equipment can reach the end of the fiber. Please remember, the more loss in the network, the dynamic range needed more. Please note, in 20 μ designated large dynamic range and can not ensure dynamic range in the short pulse is so big, track filtering over may be overstated all pulse dynamic range, resulting in fault finding bad solutions (to be published in the next article in this in-depth study).

Laser pulse width

What is laser pulse width

Laser pulse width is actually "open" time. As we know, time into the distance, thus having pulse width length value. In OTDR, pulse energy can produce identification link required backscatter. Due to the link in transmission loss (i.e., attenuation, even the machine, welding and so on), so the shorter the pulse, carry less energy, propagation distance is shorter. Long pulse energy is much higher, can be used in optical fiber is very long. Figure 8 illustrates a pulse width time function.

Chart 8. Short pulse with long pulse

If the pulse is too short, at the optical fiber end before they lost energy, so that the backscatter level is very low, even lower than the noise floor level and resulting in the loss of information. This will lead to not reach the end of optical fiber. Therefore, the fiber end return distance is much shorter than the actual length of the fiber, and can not measure the complete link. Another phenomenon that is close to the end of noise in the fiber trajectories too much. OTDR cannot carry on the signal analysis, measurement error.

When too much noise track, there are two kinds of simple method to obtain a clean path. The first method, increasing the sampling time, which can greatly improve the (increase) of SNR, while maintaining a short pulse resolution good. However, the increase in the average time is also limited, because this cannot be increased SNR. If the path is not smooth, we can use second methods, namely, using the next available higher pulse (energy). But, please remember, blind area will increase as the pulse width becomes large. Fortunately, the market most of OTDR are "automatic" mode, can be measured optical fiber to choose the proper pulse width. When the fiber length to be measured or loss is unknown, will be very convenient to use this option.

When the identification of network or optical properties, forced to correct the pulse width is measured link selection. Short pulse width, short blind area and low power for test events are short link very close, and long, long pulse high power is used for the blind area and reach the remote network or high loss network in the distance.

The sampling resolution and sampling point

The ability of OTDR to locate the correct distance events depends on different parameters, including the sampling resolution and sampling point. The sampling resolution is defined as "two consecutive sampling the minimum distance between the requirement of instrument". This parameter is very important, because it defines the final distance accuracy and OTDR troubleshooting ability. According to the width and range pulse selection, the value range is 4 centimeters to several meters. Therefore, in order to maintain the best resolution, must obtain more sampling points during sampling. Fig. 9a and 9b shows high resolution in the fault lookup role.

a)                                                           b)

Chart 9：Resolution and fault finding efficiency：(a) 5 meter resolution（higher resolution）。(b) 15 meter resolution（lower resolution）。

As chart 9 shown above, the sampling point number, the higher the resolution (short distance between the sampling points), this is the ultimate condition troubleshooting.

Conclusions there are many types of OTDR from the base of the fault finder to advanced instrument, which can meet the needs of different test and measurement. To make the right choice in the purchase of OTDR, must consider the basic parameters. Because if the model is not suitable for application, so only based on the overall performance and price to choose equipment will appear problem. OTDR has a complex specifications, the vast majority are the result of compromise. A thorough understanding of these parameters and how to verify these parameters can help buyers to meet the demand of the correct choice, to maximize productivity and cost efficiency.