pp. 83-87 83

Guy SOULAGE **

Francois ARNOULD **

Michel JURCZYSZYN **

Andr6 TARDY **

R6flectom tre haute r6solution*

R~sum6

Cet article prdsente les performances d'un appareil de mesure, par r~trodiffusion optique r~solue dans le temps, de fibres unimodales ?l 1,3 ~tm et 1,55 ~m. L'appareil, portable, permet de ddtecter avec une rdsolution voisine de 1 m, un ddfaut ou une cassure jusqu'?t 1,5 km de fibre ; la distance minimale de discrimination entre deux ddfauts consdcutifs (soudures, microcourbures) ~tant comprise entre 3 et 4 m.

Mots cl6s : R6trodiffusion, Fibre optique, Mesure optique, Guide onde unimodal, D6tection d6faut, Appareil mesure, Localisation.

HIGH RESOLUTION REFLECTOMETER

I. INTRODUCTION

Le contr61e des cables optiques dans la zone aveugle des appareils de mesure par r6trodiffusion de moindre r6solution (10-100 m) [1] notamment au niveau des bores de jonction impose l'utilisation d 'un appareil de r6solution plus fine.

Les travaux men6s sur la r6flectom6trie unimodale fi haute r6solution font appel ~t diff6rentes techniques dont la r6flectom6trie optique r6solue en fr6quence [2] et la technique de corr61ation [3].

Nous pr6sentons un appareil de mesure par r6tro- diffusion optique r6solue dans le temps [4] dont nous illustrons les performances ~t l'aide de quelques r6sul- tats exp6rimentaux.

Abstract

Measurement capabilities o f a single mode optical time domain reflectometer (OTDR) are given. Fault location accuracy is 1 m (when the group index of refraction is known) and spatial resolution is 3 m.

Key words : Backscattering, Optical fibre, Optical measure- ment, Monomode waveguide, Defect detection, Measuring instrument, Localization.

Sommaire

I. Introduction.

II. Prdsentation de l'appareil.

III. Rdsultats expdrimentaux.

IV. Conclusion.

Bibliographie (5 rdf.).

H. PR1~SENTATION DE L 'APPAREIL

II.1. D6finition et description.

Tout d 'abord nous d6crivons les caract6ristiques majeures des principaux sous-ensembles que sont l'6mission, l 'optique et la r6ception (Fig. 1) avant de pr6senter l'appareil sous forme de coffret portable.

II.1.1. Le sous-ensemble 6mission.

Un pulseur associ~ ~t une diode laser 6mettant ~t la longueur d 'onde de 0,9 ~m composent ce sous- ensemble.

Le pulseur (LDM) g6n6re des impulsions de courant de 10 ns ~t 20 ns de largeur et de 15 A fi 25 A d'ampli- tude, la fr6quence de r6p6tition 6tant de 1 kHz.

La diode laser GaAs (RCA) 6met en sortie de fibre amorce unimodale (fibrage LDM), une puissance crSte d'environ 200 mW pour 4 W &his.

* Cette 6tude a 6t6 soutenue par la Direction des affaires industrielles et internationales (ma.rch6 n o 8535 219) e ta fait l'objet d'une communication pr6sent6e aux << huiti6mes journ6es nationales d.'optique guid6e >> ~ Montpellier, les 2-3 avril 1987. ** Laboratoires de Marcoussis, Centre de Recherches de la coB, route de Nozay, 91460 Marcoussis.

I/5 ANN. T~L~.COMMUN., 43, n ~ 1-2, 1988

84 G. SOULAGE. -- RI~FLECTOMETRE A HAUTE RI~SOLUTION

EMISSION OPTIQUE

D.L.

Pulseur ~ g ~ .

0,9/am

Coupleur fibres

,m Mono 1,3 larn

150 m Abouteur Fibre controler

RECEPTION p.n ~ J Systeme d' acquisition

T(~=5 ns

Calculateur [ Fie. 1. - - Sck6ma de principe du rdflectom6tre.

Block diagram of OTDR apparatus.

La longueur d 'onde d'6mission de 0,9 ~m permet de b6n6ficier d'une source laser ~ semiconducteur plus puissante qu'~ 1,3 ~zm ou 1,55 Ezm (quelques milliwatts). De plus, au niveau de la d6tection, les photodiodes ~ avalanche sont plus performantes 0,9 ~tm (silicium)qu'~ 1,3 ~tm ou 1,55 ~m (germanium) aussi bien au niveau des facteurs de multiplication et d'exc6s de bruit que du courant d'obscurit6.

II.l.2. Le sous-ensemble optique.

II est constitu6 d 'un s6parateur optique, d'une bobine de fibre amorce et d 'un abouteur.

Le s6parateur optique est un coupleur h fibre (CLTO) de type unimodal-multimodal p6nalisant le signal ~t d6tecter d'environ 8 dB. Au coupleur sont soud6es la diode laser (voie unimodale), la fibre amorce et la photodiode (voie multimodale).

Le r61e de la fibre amorce (quelques dizaines de m~tres) est d'6viter que 1'6cho d'entr6e saturant dfi au coupleur ne perturbe le signal r6trodiffus6 par la fibre h contr61er.

L'abouteur permet d'aligner optiquement la fibre amorce et la fibre ~t contr61er et repr6sente l'abscisse 0.

A partir des consid6rations pr6c6dentes, nous pouvons 6valuer le niveau de puissance r6trodiffus6e [5] d6tect6e par la photodiode. La puissance r6tro- diffus6e Pr en d6but de fibre a pour expression :

Pr = 0,5 0~ V s At S P o ,

o~ Po = 100 mW est la puissance cr~te inject6e apr6s le coupleur en posant l'att6nuation due au coupleur clans la voie unimodale 6gale ~t 3 dB.

---- 3,5.10-* Np/m est la contribution de la diffusion l'att6nuation de la fibre h 0,9 ~tm (1,5 dB/km),

Vg = 2.108 m/s, la vitesse de groupe dans la fibre,

At ---- 10 ns, la largeur de l'impulsion h mi-hauteur,

S = 10 -3, la fraction diffus6e vers l'arri6re.

Soit une puissance r6trodiffus6e de 35 nW. En posant l'att6nuation apport6e par le coupleur

dans la voie multimodale 6gale h 5 dB, la puissance d6teet6e par la photodiode sera de l'ordre de 10 nW.

H.I.3. Le sous-ensemble de r~ception.

Au regard des faibles valeurs de puissance optique ~t d6tecter, le rapport signal ~t bruit est am61ior6 par moyennage num6rique. La r6solution souhait6e 6tant de l'ordre du m6tre, le pas d'6chantillonnage Te est fix~ ~t 5 ns (c'est le temps n6cessaire ~ l'impulsion lumineuse pour parcourir 1 m ; le temps pour parcourir cette m~me distance aller-retour sera done 10 ns soit 2 pas d'6chantillonnage). Le syst6me d'acquisition (r6alisation LDM) num6rise le signal sur 8 bit e t a une profondeur m6moire de 4 koctets ; la dur6e du moyennage de 214 (16384) courbes de r6trodiffusion est inf6rieure ~ 1 rain.

La bande passante de d6tection est de 100 MHz autorisant des temps de mont6e de l'ordre de 3,5 ns (0,35/108). L'6tage d'amplification est constitu6 d 'un pr6amplificateur de type transimp6dance suivi d 'un amplificateur de 80 dB ~ gain variable.

Les niveaux de puissance ~ d6tecter 6tant faibles et la largeur de bande relativement importante, le photod6tecteur est une photodiode /t avalanche sili- cium (RTC) munie d'une fibre arnorce multimodale.

ANN. TI~LIECOMMUN., 43, n ~ 1-2, 1988 2/5

G. SOULAGE. - RI~FLECTOM~TRE A HAUTE RI~SOLUTION 85

HI. R]~SULTATS EXP]~RIMENTAUX

Les types de d6fauts susceptibles d'etre rencontr6s sont les d6fauts att6nuants (soudures, courbures) et les cassures. Les cassures franches ne posent pas de difficultfs particuli6res de localisation de par l'importance de l'6cho. I1 n'en est pas de m~me des d6fauts att6nuants ou des cassures imparfaitement adapt6es en indice de r6fraction.

Fro. 2. - - R6flectom~tre h haute r6solution.

High resolution reflectometer.

II.1.4. L'appareU portable (Fig. 2).

Les diff6rents sous-ensembles ainsi que les diverses alimentations sont int6gr6s dans un coffret (Schroff) de dimension standard (460 • 140 • 460). Afin d'6viter tout effet de rayonnement, le pulseur ainsi que le r6cepteur optique sont dans des boitiers blind6s. Le syst6me d'acquisition se compose de cartes 61ectro- niques, l'une d'entre elles (interface IEEE) permet l'6change des donn6es avec un calculateur.

En face avant, en ce qui concerne l'6mission, il y a une sortie de contr61e de l'impulsion de courant ainsi qu'une sortie de synchronisation. En ce qui concerne la r6ception, un potentiom6tre permet le r6glage de la tension de polarisation de la photo- diode ; le contr61e de cette derni6re ainsi que de la temp6rature s'effectue par l'interm6diaire d'afficheurs num6riques. Une sortie d'amplificateur est pr6vue pour v6rifier ~ l'aide d 'un oscilloscope classique l 'aboutement entre la fibre interne et la fibre h mesurer ; un tiroir basculant donne acc6s ~t l'abouteur.

11.2. Traitement.

La localisation d 'un d6faut s'effectue par visu~lisa- tion du signal r6trodiffus6. Le logiciel mis au point avec un calculateur HP 9817 localise par calcul l'6cho dO au raccordement des fibres dans l 'abouteur et trace le signal r6trodiffus6 par la fibre ~t contr61er

partir de l 'abouteur (l'indice de groupe de la fibre 6tant pr6cis6 au calculateur) ; il est alors possible de s'int6resser h u n d6tail e n u n quelconque endroit de cette courbe. Les 6chelles 6tant lin6aires, en calcu- lant le logarithme du rapport de deux valeurs num6- ris6es, situ6es de part et d'autre d 'un d6faut, on connait son att6nuation aller-retour ~t la longueur d'onde de 0,9 Ezm.

III.1. Conditions d'exp~rimentation.

La fibre utilis6e est unimodale h 1,3 Ezm (type TAT 8) et mesure environ 1 500 m. L'impulsion de courant a une largeur ~t mi-hauteur de 15 ns. Les courbes pr6sent6es sont les moyennes de 214 (16384) signaux de r6trodiffusion 6chantillonn6s toutes les 5 ns. L'ordonn6e repr6sente le signal num6ris6 sur 8 bit, les graduations 0-255 correspondent ~t 0-5 Vs.

HI.2. Commentaires.

Dans la figure 3, la courbe du haut repr6sente le signal r6trodiffus6 par toute la fibre dont l'extr6mit6 baignant dans un liquide d'adaptation d'indice constitue un type de d6faut dit << cassure adapt6e >>. Cette cassure est pr6c6d6e d 'un d6faut att6nuant cr66 par d6formation de l'axe de la fibre (microcourbures). La courbe du bas e s t u n grossissement sur le d6faut att6nuant (0,8 dB aller-retour /t 0,9 ~tm) et permet de le localiser (537 m). Cette r&rodiffusion s'effectuant

50 LU

I1~ 4 o w

~ 3O Z ,~ 2o Z

50

5

3 0

2S

i i I i

3720 7 3 9 0

3 8 2 7 5 9

i i i i

�9 e e e e

i i i i , i i i i

(1)

t i

11060 14730 18400ns

1136 1513 1890m

t = i ~ i

(2)

�9 T . e * �9 i i r t I e 1 e I I

537 540 m

FIG. 3. -- (1) Signal r6trodiffus6 (apr~s moyennage num6rique). (2) Loupe sur un d6faut.

(1) Averaged backscatter trace. (2) Zoom on a fault.

3/5 ANN. TgL~COMMUN., 43, n ~ 1-2, 1988

86 G. SOULAGE. - RrSFLECTOMETRE A HAUTE RESOLUTION

Z 10

I I I I I I I ~ m

IS I

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1 4 9 5 1497 �9 1 5 0 0 m i � 9

t l I l i l t �9 i

15 �9

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"l 5

l r l l i I ~ * ? �9

FIG. 4. - - Raccourcissement de la fibre par t ronqons de 1 m (avec adaptation d'indice).

Fibre length reduction (far end index-matched).

dans le domaine temporel, la pr6cision de localisation spatiale L dTpendra de la valeur donn6e h l'indice de groupe de la fibre ng, en effet :

L = (e/ng) (t/2), e : vitesse de la lumi6re dans le vide, t : localisation temporelle,

d'o/a la n6cessit6 d'un 6talonnage effectu6 h partir d'une fibre tir6e d'une m~me fabrication et de longueur connue. Dans notre cas, l'indice est proche de 1,46.

Dans la figure 4, il s'agit de la m~me fibre successi- vement raccourcie de 1 m et dont l'extrTmit6 baigne dans un liquide d'adaptation d'indice. Pour ce qui concerne les 2 premi6res courbes, en consid6rant la localisation de la cassure h l'amorce de la descente, nous constatons le raccourcissement de la fibre correspondant ~t 2 pas d'Tchantillonnage (10 ns ~ 1 m); par contre, pour la troisi6me courbe, il existe un dTcalage d'un pas d'6chantillonnage. Le pas d'6chan- tillonnage est la pr6cision minimale que l'on peut avoir, de plus on ne peut affirmer que l'adaptation est parfaite dans les 3 cas (valeur de l'indice, coupe de la fibre suivant des angle~ diff6rents).

En pratique, l'adaptation d'indice n'est jamais parfaitement r6alis6e et il importe de tenir compte de l'influence d'une puissance r6flTchie m~me minime sur les conditions de localisation d'une cassure dite adapt6e.

L'exemple de la figure 5 fait apparaitre la diffTrence de localisation d'une cassure dans les cas d'adaptation et de d6sadaptation en indice.

La figure du bas illustre un 6cho classique avec la cassure localis6e au pied de la mont6e ; la longueur de la zone morte derri6re un 6cho de Fresnel est comprise entre 3 et 4 m. La figure du haut cor-

i ,i 15

u l ~ lO

Z

Z

ffl

40

35

30

25

20

15

lO

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I

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I

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I

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1 4 9 5

i ,

i i

I

i i

(1)

* ?

i

r �9 i �9

1 5 0 0 r n

Fro. 5. - - Extr6mit6 de fibre adapt6e (1) et non adapt6e (2) en indice.

Far end of the fibre, index-matched (1) or not (2).

respond au cas o~ l'extr6mit6 de la fibre baigne dans un liquide d'adaptation. Nous constatons un 6cart entre les deux localisations.

Le signal r6trodiffus6 est la convolution de l'impul- sion optique inject6e dans la fibre avec les r6ponses impulsionnelles de la fibre et du syst6me d6tection- amplification. La qualit6 de l'adaptation en indice (donc la valeur du facteur de r6flexion) alli6e la forme de la mont6e de l'impulsion optique entralnent une modification de la courbure ~. l'amorce de la descente d'o/J une incertitude suppl6mentaire de localisation qui th6oriquement est inf6rieure au temps de mont6e de l'impulsion.

A partir de ces consid6rations, nous dirons que la pr6cision de localisation temporelle est de 10 ns, soit environ 1 m.

L'extr6mit6 de la fibre pr6sent6e figure 6 est pr6c6d6e d'un d6faut induit par des microcourbures distant tout d'abord de 4 m puis de 3 m. Cette distance (3 m) est la distance minimale permettant de dis- criminer 2 d6fauts cons6cutifs.

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Z

Z

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i i i I

1 4 9 5

i I . o L T *

1 5 0 0 m

FI~. 6. - - Distance minimale de discrimination entre deux d6fauts cons~cutifs.

Spatial resolution.

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G. SOULAGE. - RI~FLECTOMETRE A HAUTE RESOLUTION 87

IV. C O N C L U S I O N

Apr6s avoir d6fini et d6crit cet apparei l de mesure par r6trodiffusion opt ique r6solue dans le temps, nous concluons en rappelan t ses per formances :

pr6cision de localisation temporel le : 10 ns,

- - l imi te de d6tection d 'une cassure adapt6e en indice : 1,8 km (capacit6 m6moire limit6e ~t 4 koctets),

--distance minimale permet tan t de discriminer deux d6fauts cons6cutifs : 3 m (largeur ~ mi-hauteur de l ' impuls ion de couran t : 15 ns),

- - le r appor t signal ~t bruit est de l 'o rdre de 20 dB optique.

Cet apparei l est utilis6 h C~tbles de Lyon (Calais) pour le contr61e de lignes sur courtes longueurs. Au cours d 'essais m6caniques et n o t a m m e n t de traction, il pe rmet de localiser, outre une rupture (pr6sence d ' u n 6cho), d '6ventuels d&auts le long du cable (d6fauts att6nuants) et de suivre leur 6volution.

R E M E R C I E M E N T S .

Les auteurs remercient Messieurs E. Depresle, J. Ducate, J.-L. Moncelet et D. Pacton pour leur contribution ?~ la rdalisation de cet appareil.

Manuscrit recu le 23 juin 1987,

acceptd le 5 novembre 1987.

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