1 - ảnh h−ởng của chỉ số chiết quang đến phép đo:
Mỗi thiết bị OTDR đều có các tham số riêng, nhiều tham số quan trọng trong ứng dụng thực tiễn nh−:
- B−ớc sóng công tác - Dải động
- Độ phân giải không gian (dải đo ngang), và độ chính xác của phép đo khoảng cách
- Độ tuyến tính
- Độ phân giải suy hao (dải đo đứng), và độ chính xác của phép đo suy hao.
Khi các điều kiện đo thực tế mà các thông số của thiết bị không thỏa men đ−ợc thì phép đo sẽ không còn chính xác nữa. Do đó, với một tuyến cáp sợi quang cần đo, phải đòi hỏi thiết bị thỏa men các thông số đó.
Chỉ số chiết quang là một trong những thông số cấu trúc của sợi quang, nó qui định nhiều tham số sóng ánh sáng lan truyền trong sợi. Một trong những tham số đó là vận tốc ánh sáng lan truyền và quan hệ giữa vận tốc pha của ánh sáng với chỉ số chiết quang của sợi theo công thức.
( ) ph C V n λ = (3.1)
Vận tốc nhóm của sóng ánh sáng lan truyền cũng phụ thuộc vào chiết suất nhóm ng (λ): ( ) g g C V n λ = (3.2)
ở đây ng là chiết suất quang nhóm và đ−ợc tính bằng:
1 1 ( ) ( ) ( ) g dn n n d λ λ λ λ = − (3.3)
Thay vào biểu thức trên ta có:
1 1 ( ) ( ) g C V dn n d λ λ λ = − (3.4)
Từ biểu thức (3.4) ta nhận thấy rằng vận tốc nhóm của ánh sáng lan truyền phụ thuộc vào b−ớc sóng λ. Khi nguồn phát quang bức xạ ở một dải phổ nhất định thì vận tốc lan truyền của các thành phần sóng theo b−ớc sóng λ sẽ khác nhau. Ta cũng biết rằng, công suất của tán xạ ng−ợc phụ thuộc vào vận tốc nhóm của tín hiệu lan truyền. Do đó, khi chỉ số chiết quang của sợi thay đổi sẽ làm thay đổi vận tốc nhóm của sóng ánh sáng và dẫn đến sự thay đổi công suất tán xạ ng−ợc ở đầu thu.
Sự thay đổi này không phải do tổn hai của bản chất sợi quang gây ra mà chính là do sự thay đổi tham số cấu trúc của sợi từ thiết bị đo gây nên. Do đó, việc đánh giá suy hao của sợi sẽ bị sai so với thực tế.
Mặt khác, ta cũng nhận thấy rằng, khi chỉ số chiết quang thay đổi thì dẫn đến việc thay đổi vận tốc nhóm. Vì thế, việc đánh giá khoảng cách của sợi cũng bị sai so với thực tế.
2
g
V t
L= (3.5)
Nếu vận tốc nhóm thay đổi thì quan hệ (3.5) không còn tuyến tính nữa, việc chỉ thị khoảng cách trên màn hình cũng không tuyến tính và độ chính xác của phép đo khoảng cách cũng giảm.
Qua phân tích trên, ta nhận thấy rằng, chỉ số chiết quang của sợi ảnh h−ởng rất lớn đến kết quả đo, ở cả phép đo suy hao (theo trục đứng) lẫn cả phép đo khoảng cách (theo trục ngang). Điều này dẫn đến một yêu cầu quan trọng cho việc sử dụng thiết bị đo OTDR là phải có khả năng hiệu chỉnh kết quả đo khi chỉ số chiết quang của sợi thay đổi. Và đây cũng là một tham số quan trọng của thiết bị OTDR.
• Ví dụ, nếu chọn sai chỉ số chiết quang 1% thì khi đo, thiết bị OTDR dựa vào tính toán sẽ cho sai số của phép đo về khoảng cách là 1%. Trong
tr−ờng hợp này, với độ dài t−ơng đối lớn nh− 30Km thì sẽ cho sai số lớn đến 30m.
2. ảnh h−ởng của bề rộng xung phát và dải động của OTDR
Trong thiết bị OTDR, cho phép chúng ta chọn bề rộng xung phát tại các mức cho sẵn. Trong tr−ờng hợp bề rộng xung phát đ−ợc chọn lớn thì dải động lớn, và khi đó tán xạ Rayleigh trở về lớn hơn. Do vậy, ta có thể có độ dài sợi cần kiểm tra dài hơn. Kết quả này đ−ợc thể hiện tại các điểm phản xạ Fresnel từ mối hàn và các mối nối (connector), và nh− vậy, sẽ cho phép chúng ta phân biệt đ−ợc khoảng cách giữa hai điểm và tăng sự chính xác trong phép đo.
Ta biết rằng, thời gian để truyền hết một xung ánh sáng qua một điểm trên sợi cũng chính là bề rộng của xung. Cự ly truyền t−ơng ứng với thời gian truyền này là:
1 . . 2 l= v T (3.6) Trong đó: - Thừa số: 1
2 do ánh sáng truyền theo hai chiều -
1
c v
n
= : Vận tốc ánh sáng truyền trong sợi - T: bề rộng xung
Ví dụ:
- Với n1 = 1,5 (chiết suất lõi sợi) thì ta có: 1 . . 2 l= v T Trong đó: - Thừa số: 1
2 do ánh áng truyền theo hai chiều -
1
c v
n
= : Vận tốc ánh sáng truyền trong sợi - T: bề rộng xung
Ví dụ: - với n1 = 1,5 (chiết suất lõi sợi) thì ta có:
8 1 3.10 ( ) 2 1, 5 l= T s 8 10 ( / ) ( ) l= m s T s 100( / ) ( ) l= m às T às
Điều này có nghĩa là nếu xung có bề rộng T = 1às thì khoảng cách của hai ch−ớng ngại gần nhất mà máy đo còn phân biệt đ−ợc là 100m.
Nói chung, bề rộng xung T càng rộng thì khoảng cách phân biệt 1 càng lớn, tức là độ phân giải càng kém và ng−ợc lại.
Bề rộng xung của các máy đo trên thực tế đều có thể điều chỉnh đ−ợc từ vài ns đến vài às. Khi đo cự lý gần, thì dùng T nhỏ để tăng độ phân giải, còn khi đo cự ly xa thì dùng T lớn để tăng dải động.
3 - ảnh h−ởng khi đặt vị trí con trỏ trên màn hình thiết bị OTDR:
Một trong những yếu tố ảnh h−ởng đến độ chính xác khi đo khoảng cách là đặt con trỏ ở vị trí cần đo trên màn hình thiết bị OTDR.
Ta đe biết rằng, dải động lớn có thể đo đ−ợc cự ly xa trên sợi quang, thì độ gần nhau xác định mà OTDR có thể đo đ−ợc gọi là vùng chết (Deadzone) của OTDR.
Khái niệm về vùng chết
Vùng chết là “điểm mù”, nó xuất hiện từ sự phản xạ của những khớp nối và những mối hàn cơ khí có xu h−ớng beo hòa mà bộ thu của OTDR cảm nhận đ−ợc. Một vùng chết luôn xuất hiện ở tr−ớc phản xạ connector cũng nh− các phản xạ khác dọc sợi quang.
Theo thông báo của TR-TSY-000196 Issue 2 “Tiêu chuẩn chung cho OTDR” Bellcore cho 2 định nghĩa vùng chết đến nay vẫn đ−ợc chấp nhận sử dụng trong công nghệ.
Vùng chết do độ suy hao (Attenuation Deadzone):
Đây là khoảng cách từ vị trí bắt đầu của phản xạ đến vị trí phục hồi khoảng 0,5dB gần đ−ờng tán xạ ng−ợc (Theo Bellcore đề nghị là 0,1dB nh−ng th−ờng dùng tại 0,5dB) Đây là điểm mà OTDR có thể đo sự suy hao và suy giảm một lần nữa, vì phép đo chỉ thực hiện khi có tán xạ ng−ợc.
Vùng chết của sự cố (Event Deadzone)
Đây là khoảng cách từ vị trí bắt đầu của phản xạ đến điểm OTDR thu đ−ợc là 1,5dB thấp hơn điểm phản xạ. Tại điểm này, một phản xạ thứ hai có thể đ−ợc nhận dạng, tuy nhiên, độ suy hao và suy giảm không thể đo đ−ợc.
Vùng chết đ−ợc hiểu là độ phân giải 2 điểm của một thiết bị OTDR xác định thế nào sao cho với 2 điểm đặc tr−ng thì có thể đo đ−ợc.
Đối với thiết bị đi OTDR, yêu cầu vùng chết càng ngắn càng tốt.
4. ảnh h−ởng của sự sắp xếp sợi quang trong cáp a. Cấu trúc lớp và đơn vị a. Cấu trúc lớp và đơn vị
Trong cáp quang, sợi quang đ−ợc sắp xếp theo từng lớp (H.3.2) hoặc từng đơn vị (H.3.3). Cách sắp xếp theo từng đơn vị có mật độ sợi trong cáp cao nên phù hợp với mạng cáp nội hạt còn cách sắp xếp theo từng lớp phù hợp với mạng đ−ờng dài.
Hình 3.2. Cấu trúc cáp quang theo từng lớp
Hình 3.3. Cấu trúc cáp theo đơn vị
b. Sự xoắn ruột cáp
Sợi quang cùng với các thành phần khác nh− dây đồng, ống làm đầy (nếu có) đ−ợc xoắn dọc theo trục của cáp nhằm giảm áp lực căng tác dụng lên sợi khi sợi bị kéo căng.
Hình 3.4. Sự khác biệt giữa chiều dài sợi quang và cáp
Do sợi cáp quang đ−ợc xoắn trong cáp nên chiều dài sợi quang khác chiều dài của cáp.
Nếu gọi: - R: bán kính xoắn (tính từ trục cáp đến thành phần bị xoắn) - L: Chiều dài thành phần bị xoắn
- α: Góc xoắn Ta có: 2 2 1 R L S S π = + (3.7) 2 S arctg R α π = (3.8)
Độ gia tăng chiều dài của sợi đ−ợc xác định bởi: 2 1 1 L S R z S S π − = = + − (3.9) hay 1 1 sin z α = − (3.10)
Thông th−ờng độ gia tăng chiều dài đ−ợc tính theo %
Ví dụ: Ruột cáp đ−ợc xoắn với S = 100mm và R = 4mm thì độ gia tăng chiều dài sợi là: 2 2 2 2 4 1 1 1 1 0, 031 3,1% 100 L S R z S S π π − = = + − = + − = =
Nh− vậy cứ 100m cáp thì sợi quang bên trong dài hơn cáp 3,1m
Việc xoắn ruột cáp làm cho sợi quang bên trong đó bị uốn cong. Dạng đ−ờng cong của sợi quang nằm trong không gian ba chiều. Bán kính uốn cong của sợi quang phụ thuộc vào b−ớc xoắn S và bán kính xoắn R theo công thức:
2 1 2 S R R ρ π = + (3.11) Trong đó: - p: bán kính uốn cong - R: bán kính xoắn - S: b−ớc xoắn
Từ đó, để giữ cho bán kính uốn cong lớn hơn một bán kính uốn cong tối thiểu cho phép thì b−ớc xoắn cũng phải lớn hơn một giới hạn nhất định. Giới hạn của b−ớc xoắn đ−ợc tính bởi: 2 m 1 m S R R ρ π = − (3.12)
Trong đó: - Sm: b−ớc xoắn tối thiểu
- Pm: bán kính uốn cong tối thiểu - R: bán kính xoắn
B−ớc xoắn trong thực tế khoảng S = 80mm ữ 300mm Cáp có thể xoắn theo: a - Chiều thuận (kiểu S)
b - Chiều nghịch (kiểu Z) c - Đảo chiều (kiểu SZ)
Hình 3.5: Các hình dạng của cáp
c. Sự dn dài và co rút:
Ngoài việc giới hạn độ uốn cong sợi quang còn phải chú ý đến độ den dài (do kéo căng) và độ co rút (do nhiệt độ) của sợi quang vì những yếu tố này có ảnh h−ởng đến các thông số truyền dẫn cũng nh− độ bền cơ học của sợi quang.
Trong cấu trúc ống đệm lỏng, sợi quang có thể di chuyển tự do trong ống đệm.
ở trạng thái bình th−ờng sợi quang nằm giữa ống đệm. Khi bị kéo căng sợi quang dịch vào phía trục của cáp còn khi bị co rút sợi quang dịch ra phía vỏ cáp. Do đ−ờng kính trong của ống đệm lớn hơn đ−ờng kính sợi quang và ống đệm đ−ợc xoắn trong ruột cáp nên khi bị kéo căng (hoặc co rút) với độ thay đổi chiều dài nhỏ thì sợi quang bên trong ống đệm ch−a bị ảnh h−ởng.
Độ thay đổi chiều dài t−ơng đối, theo định nghĩa là tỷ số giữa độ thay đổi chiều dài và chiều dài của cáp, phụ thuộc vào bán kính xoắn, b−ớc xoắn và độ rỗng của ống đệm.
Độ thay đổi chiều dài t−ơng đối.
L L ε = ∆ (3.13) 2 2 2 2 2 4 1 1 R 2 R R S R R π ε = − + + ∆ ±∆ (3.14) Trong đó: R: bán kính xoắn S: b−ớc xoắn ∆R: bán kính rỗng Dấu (+): ứng với độ co rút Dấu (-): ứng với độ den dài
di: đ−ờng kính của ống đệm lỏng df: đ−ờng kính sợi,
(Nếu ống chứa nhiều sợi thì df là đ−ờng kính t−ơng đ−ơng của bó sợi)
2
i f
d d
R −
5. ảnh h−ởng của sơ đồ hoàn công khi xác định khoảng cách cáp.
Trong thực tế, do độ dài tuyến đo trên máy bao giờ cũng lớn hơn cự ly thực vì: • Tại các chỗ măng sông bao giờ cũng có cáp dự trữ
• Thực tế trong thi công, tại các chỗ v−ợt cầu, cống cũng có cáp dự trữ • Tuyến cáp không hoàn toàn thẳng, do tùy thuộc vào địa hình thi công • Khi đo, ta chỉ đo chiều dài của sợi trong cáp, do sự xoắn sợi trong cáp
nên bao giờ chiều dài sợi đo đ−ợc cũng lớn hơn chiều dài thực tế của cáp đe thi công.
Vì vậy cần gắn đặc tuyến suy hao với tuyến thực tế
Có thể xác định vị trí sợi bị đứt chính xác hơn bằng cách đo hai phía từ hai trạm liên tiếp (hoặc đầu cuối) để xác định vị trí đứt so với mối hàn gần đó nhất (hình 2.6)
Hình 3.6. Xác định chỗ đứt bằng cách dùng OTDR đo từ hai phía
Gọi DA: Khoảng cách từ mối nối n đến điểm đứt do OTDR đặt ở trạm A chỉ thị DB: Khoảng cách từ mối nối n +1 đến điểm đứt do OTDR đặt ở trạm B chỉ thị D: Khoảng cách thực tế giữa hai mối nối trên tuyến.
Khoảng cách thực tế trên tuyến từ mối nối thứ n đến điểm đứt đ−ợc tính bởi: . A n A B D D D D D = + (3.15)
T−ơng tự, khoảng cách từ mối nối thứ n+1 đến điểm đứt là:
1 B . n A B D D D D D + = + (3.16)
Cũng có thể xác định vị trí đứt sợi bằng cách so sánh cự ly chỉ thị trên OTDR với một đoạn sợi đe biết tr−ớc chiều dài.
Trên tuyến thực tế có các vật chuẩn là các cột mốc (có đánh dấu) tại các hố chôn măng sông, còn các đặc tuyến suy hao thì dễ phát hiện ra các chỗ măng sông với khoảng cách xác định. Cần tập đo thử để so sánh các chỗ măng sông với các cốt mốc cụ thể, từ đó xác định đ−ợc khoảng cách quang từ trạm máy tới vật chuẩn là cột mốc, để có kinh nghiệm xử lý chỗ h− hỏng sau này nhanh, giúp tìm đ−ợc các chỗ không đồng nhất mới, nhất là các chỗ có h− hỏng nhẹ trên sợi mà ch−a gey hẳn.
IV. định giá sai số khi đo cự ly bằng thiết bị otdr 1. Thực nghiệm đo đạc bằng OTDR: 1. Thực nghiệm đo đạc bằng OTDR:
Thực hiện đo sợi quang từ tổng đài Ciputra đến toà nhà L1 khu Đô thị Ciputra Tuyến cáp sợi quang truy nhập có độ dài 2140 m đ−ợc xây dựng chạy dọc trong khu Đô thị năm 2012.
- Thiết bị đo: OTDR Anritsu 8083C
- Đo sợi cáp : Từ tổng đài Ciputra (CPT) đến nhà L1 khu đô thị Ciputra - Loại cáp: vinacap - Chiết suất sợi: n = 1,4670
- Chiều dài tuyến cáp: L = 2140m - Tổng các hố nối: N = 45
(Số liệu này do Trung tâm Viễn Thông Nam Thăng Long quản lý)
Hình 4.1: Đo đầu sợi cáp 1 trên tuyến cáp 96Fo từ TĐ Ciputra đến nhà L1 KĐT
(bước song 1310nm, độ rộng xung 50ns): Tổng tuyến cáp dài 2182m, suy hao mối hàn 1 tại điểm măng xông 1446m là 0.225dB, suy hao mối hàn 2 tại điểm măng xông 1915m là
Hình 4.2: Đo sợi cáp 2 trên tuyến cáp 96Fo từ TĐ Ciputra đến nhà L1 KĐT
(bước song 1310nm, độ rộng xung 50ns): ): Tổng tuyến cáp dài 2182m, suy hao mối hàn 1 tại điểm măng xông 1445m là 0.289dB, suy hao mối hàn 2 tại điểm măng xông 1914m là
0.295dB, suy hao tổng tuyến là 0.886dB
Hình 4.3: Đo sợi cáp 1 trên tuyến cáp 96Fo từ TĐ Ciputra đến nhà L1 KĐT
(bước song 1310nm, độ rộng xung 100ns), chiều dài là 2182m, suy hao tổng tuyến là 0.924dB
Hình 4.4: Đo sợi cáp 2 trên tuyến cáp 96Fo từ TĐ Ciputra đến nhà L1 KĐT
(bước song 1310nm, độ rộng xung 100ns) , chiều dài là 2183m, suy hao tổng tuyến là 0.945dB
Hình 4.5: Đo sợi cáp 1 trên tuyến cáp 96Fo từ TĐ Ciputra đến nhà L1 KĐT
(bước song 1310nm, độ rộng xung 100ns), khi thay đổi chiết suất n=1.4738,chiều dài là 2174m, suy hao tổng tuyến là 0.971dB
Hình 4.6: Đo sợi cáp 2 trên tuyến cáp 96Fo từ TĐCiputra đến nhà L1 KĐT
(bước song 1310nm, độ rộng xung 100ns), khi thay đổi chiết suất n=1.4738,chiều dài là 2173m, suy hao tổng tuyến là 0.886dB
Hình 4.7: Đo sợi cáp 1 trên tuyến cáp 96Fo từ TĐCiputra đến nhà L1 KĐT
(bước song 1550nm, độ rộng xung 100ns) , chiều dài là 2175m, suy hao tổng tuyến là 0.566dB
Hình 4.8: Đo sợi cáp 2 trên tuyến cáp 96Fo từTĐCiputra đến nhà L1 KĐT
(bước song 1550nm, độ rộng xung 100ns) , chiều dài là 2176m, suy hao tổng tuyến là 0.792dB
Hình 4.9: Đo sợi cáp 1 trên tuyến cáp 96Fo từ TĐ Ciputra đến nhà L1 KĐT
(bước song 1550nm, độ rộng xung 50ns), khi đo từ cuối sợi cáp, chiều dài là 2176m, suy