Đo các tham số trong hệ thống thơng tin quang đĩng vai trị vơ cùng quan trọng, các thơng số đĩ cĩ liên quan trực tiếp đến đặc tính của sợi quang và cáp quang. Trong chƣơng này chỉ nêu phƣơng pháp đo suy hao và quy trình đo thử hệ thống cáp quang với mục đích và các loại cơng tác đo thử.
Trong các phƣơng pháp đo thì phƣơng pháp đo suy hao là quan trọng nhất. Ở chƣơng này giới thiệu hai phƣơng pháp đo suy hao là: Phƣơng pháp đo hai điểm và phƣơng pháp đo tán xạ ngƣợc. Chúng ta muốn quản lý và khai thác tối ƣu tuyến truyền
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ dẫn quang thì cần phải nắm vững các kỹ năng và các phƣơng pháp đo suy hao của tuyến truyền dẫn quang. Với những số liệu cập nhật đƣợc: Suy hao tồn tuyến, suy hao tại mỗi trạm, suy hao mối hàn, khớp nối và nhiều yếu tố khác sẽ giúp chúng ta thuận lợi trong quá trình quản lý, vận hành, khai thác, bảo dƣỡng và nâng cấp mạng truyền dẫn sau này.
Đối với ngƣời làm cơng tác thi cơng, bảo hành, bảo trì mạng cáp quang thì việc chon một máy đo OTDR là rất quan trọng, ngồi ý nghĩa về tài chính cịn xét đến sự tiện lợi của quá trình thi cơng nhƣ máy phải đo đƣợc cự ly mong muốn, khả năng xác định suy hao và khoảng cách điểm đứt và đầu cuối càng chính xác càng tốt giúp tăng hiệu quả làm việc và giảm thời gian thi cơng trên cơng trƣờng. Tính năng lƣu trữ các kết quả và khả năng kết nối với máy tính và mạng cũng là một ƣu điểm để ngƣời thi cơng dễ dàng nghiệm thu tuyến và bàn giao kết quả.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
CHƢƠNG 3: ĐO SUY HAO BẰNG THIẾT BỊ OTDR 3.1. THIẾT BỊ OTDR
Máy đo OTDR là một trong những cơng cụ mạnh nhất khơng phá hủy cấu trúc của hệ thống, thao tác thuận lợi đối với sợi quang. Nĩ cung cấp các thơng tin cần thiết cả trong giai đoạn chế tạo sợi và cả trong giai đoạn đánh giá chất lƣợng sợi cũng nhƣ ở giai đoạn kiểm tra hiện trƣờng. Máy đo OTDR đƣợc dùng để đo suy hao tồn tuyến, chiều dài sợi, suy hao của mối hàn và khớp nối, xác định chỗ sợi bị đứt, thứ tự mối hàn … qua đĩ cĩ thể đánh giá đƣợc sự xuống cấp của hệ thống.
Nguyên lý hoạt động của OTDR dựa trên nguyên lý đo phản xạ và tán xạ ngƣợc đƣợc phát minh vào năm 1976 và nhanh chĩng đƣợc hồn thiện, đƣợc sử dụng rộng rãi trong thị trƣờng hiện nay.
3.1.1. Nguyên lý hoạt động và sơ đồ tổng quát của máy đo OTDR
Máy phĩng các xung ánh sáng vào sợi cần đo. Trên đƣờng truyền các xung ánh sáng gặp những chƣớng ngại vật khác nhau nhƣ những chỗ khơng đồng nhất của sợi, mối hàn khớp nối, vết nứt của sợi,… do đĩ sẽ cĩ một phần năng lƣợng ánh sáng dội về dƣới hình thức phản xạ hay tán xạ ngƣợc. Mức độ phản xạ phụ thuộc vào tính chất của những chỗ khơng đồng nhất trên sợi.
Năng lƣợng ánh sáng phản xạ đƣợc thu nhận, chuyển đổi thành tín hiệu điện, khuyếch đại và cho hiển thị lên màn hình. Trục tung chia theo mức cơng suất phản xạ cịn trục hồnh chia theo chiều dài sợi thơng qua thời gian trễ từ lúc phĩng xung đến lúc nhận xung.
Mối quan hệ giữa chiều dài sợi L và thời gian trễ t là: L v t 2 1 (3.1) 1 n c
v : vận tốc ánh sáng truyền trong lõi sợi. Thừa số
2 1
xuất hiện trong ( 3.1) do xung ánh sáng truyền trong sợi theo hai chiều.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ Dƣới sự kích thích của các xung điện từ mạch tạo xung, LASER phát xung ánh sáng vào sợi quang thơng qua các bộ ghép và rẽ tia. Các xung phản xạ đƣợc bộ rẽ tia đƣa đến bộ tách sĩng quang để đổi ra xung điện. Biên độ xung phản xạ rất nhỏ nên cần đƣợc khuyếch đại trƣớc khi đƣa qua bộ xử lý để hạn chế nhiễu, lấy giá trị trung bình rồi cho hiển thị lên màn hình.
Hình 3.1. Sơ đồ tổng quát của máy đo OTDR
Sự biến thiên cơng suất tán xạ ngƣợc và phản xạ thể hiện sự phân bố suy hao trên sợi quang. Thời gian trễ từ dấu hiệu phản xạ ở đầu sợi đến dấu hiệu phản xạ ở cuối sợi thể hiện thời gian truyền của ánh sáng từ đầu sợi đến cuối sợi (theo hai chiều) nên cĩ thể suy ra đƣợc chiều dài của sợi. Tƣơng tự nhƣ vậy cĩ thể tính đƣợc cự ly từ đầu sợi đến điểm cĩ suy hao bất thƣờng.
Nếu tín hiệu tán xạ ngƣợc đƣợc khuếch đại tuyến tính thì đƣờng biểu diễn trên màn hình là đƣờng cong giảm dần theo quy luật hàm số mũ (hình 3.2a). Nếu dùng bộ khuếch đại logarit thì đƣờng biểu diễn trên màn hình là đƣờng thẳng cĩ hệ số gĩc âm (hình 3.2b). Đƣờng biểu diễn trên đã đƣợc bộ xử lý hạn chế nhiễu và lấy giá trị trung bình, nếu khơng thì hình ảnh rất mờ.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
Hình 3.2. Cơng suất phản xạ của một sợi đồng nhất
Nếu trên sợi cĩ nhiều đoạn cĩ độ suy hao khác nhau thì đƣờng thể hiện là đƣờng gãy gồm cĩ nhiều đoạn cĩ độ dốc khác nhau. Những chỗ cĩ phản xạ thì đƣợc thể hiện bằng các xung nhọn vì cơng suất phản xạ lớn hơn cơng suất tán xạ ngƣợc với cùng mức cơng suất tới (Hình 3.3)
Hình 3.3 Sự biến thiên của cơng suất phản xạ qua các chướng ngại vật khác nhau
- Nguồn quang (Optical Source ):
Khi xung kích thích hẹp hơn xung tán xạ ngƣợc thì cơng suất của tín hiệu tán xạ ngƣợc phát ra từ 40 50dB(theo tính tốn), thấp hơn cơng suất của xung kích thích. Điều đĩ cĩ nghĩa rằng chỉ các nguồn quang cĩ khả năng tạo ra các xung ngắn và cơng suất lớn mới sử dụng đƣợc, do đĩ cần thiết phải sử dụng nguồn phát Laser. Tuy nhiên cần lƣu ý rằng phải cĩ một giới hạn cho cơng suất cực đại mới cĩ thể đƣa vào sợi, cĩ bức xạ phi tuyến, và nhƣ vậy cần tính đƣợc ngƣỡng phi tuyến đĩ. Trong trƣờng hợp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ sợi đa mode, ngƣời ta thƣờng phải sử dụng các nguồn Laser xung cơng suất cao hơn Galas/GaAs ở vùng bƣớc sĩng 0,8 – 8,9 μm cĩ thể ghép nối một cơng suất quang khoảng 30dB.
Ở vùng bƣớc sĩng lớn hơn (1.3 1.6 m) thƣờng sử dụng cho các loại sợi đơn mode, nên khơng thể sử dụng các laser với các đặc điểm trên. Khi đĩ ngƣời ta sử dụng các nguồn laser cĩ liên kết bốn nhƣ InGaAsP/InP vĩi cơng suất ghép nối cực đại khoảng vài dB. Cĩ thể sử dụng laser phi bán dẫn cơng suất cao hơn nhƣ: Q - Switched Nd: YAG ở bƣớc sĩng 1,32 m, Q - Switched Er +: Glass ở bƣớc sĩng 1,55 m. Ngƣời ta cũng cĩ thể sử dụng Laser Nd: YAG ở bƣớc sĩng 1,32 m với đầu phát ở 1,59 m cho loại sợi Raman cĩ Laser đặt trong P2O5 đƣợc kích thích bằng sợi silica. Khi sử dụng các xung quang cơng suất cao từ nguồn Laser Nd: YAG phát ở bƣớc sĩng 1,06 m phải phát trong sợi GeO2silica nhờ hiệu ứng kích thích Raman, bao gồm phổ từ 1,1 ÷ 1,7 m. Mặt khác một nguồn Laser Nd: YAG phát vào sợi GeO2silica cĩ thể sử dụng để cung cấp các xung cơng suất cao trong dải phổ gần nhƣ liên tục và trong dải bƣớc sĩng đã kể trên, nhƣ vậy phù hợp với đặc điểm của phổ đơn mode.
Trong trƣờng hợp thăm dị liên tục yêu cầu phải cĩ một nguồn liên tục phù hợp với bộ dao động nội bộ, và các bộ dao động đĩ phải thuận tiện cho việc sử dụng nhƣ là nguồn kích thích. Từ đĩ một chùm ánh sáng phát đƣợc sử dụng nhƣ là chùm mẫu.
- Bộ rẽ tia ( Bộ phân hƣớng – Directional Coupler ):
Các bộ coupler cĩ nhiệm vụ trộn hoặc tách tín hiệu quang theo yêu cầu. Ở đây là loại coupler hai hƣớng. Bộ rẽ tia này là bộ phận rất quan trọng trong thiết bị OTDR, vì nĩ thực hiện hai chức năng chính:
Tạo ra một tổn hao thấp và ghép nối một cách cĩ hiệu quả từ nguồn quang tới sợi và từ sợi đến bộ tách sĩng quang.
Thực hiện cách ly bộ thu với tín hiệu lớn phản xạ từ cuối đầu vào của sợi.
Trong thực tế, tín hiệu phản xạ này lớn, vào khoảng 25 30dBtrên mức tín hiệu tán xạ ngƣợc, sẽ nạp rất mạnh cho phần điện của bộ thu và làm sai phép đo của phần tiếp theo của dạng sĩng.
- Bộ tách sĩng quang, thu và khuếch đại (Photodetector and Receive):
Nếu chú ý đến mức thấp của tín hiệu tán xạ ngƣợc thì yêu cầu cơ bản của bộ tách sĩng quang sử dụng trong thiết bị OTDR là nĩ phải cĩ độ nhạy cao và nhiễu thấp, hơn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ nữa, nĩ cần cĩ độ tuyến tính cao. Mặt khác, chúng phải cĩ dải thơng rộng để nhận xung thăm dị một cách chính xác khi yêu cầu cĩ độ phân giải cực đại.
Đối với vùng bƣớc sĩng ngắn (0,85 m) ngƣời ta sử dụng bộ tách sĩng quang silicon APDs. Đối với với vùng bƣớc sĩng 1,3 ÷ 1,6 m, khơng cĩ bộ tách sĩng nào tốt hơn bộ tách sĩng trên. Các photodiode Ge cĩ thể chịu đƣợc dịng điện cao và địi hỏi cần phải làm lạnh để cải thiện chế độ cơng tác.
Trong hệ thống tách sĩng trực tiếp, sự khuếch đại đƣợc thực hiện bằng các bộ khuếch đại transimpedance, nĩ cĩ các đặc tính chống nhiễu tốt và dải thơng hẹp.
Một điểm cần lƣu ý là bộ lọc, theo nhƣ các phân tích nêu trên, nếu chúng ta gọi: - p(t) là đáp ứng xung của sợi.
- r(t) là đáp ứng xung của hệ thống đo. - f(t) là đáp ứng xung của bộ lọc thu.
- s(t) là đáp ứng cuối cùng của tồn bộ hệ thống sau bộ lọc - x(t) là xung kích thích.
Khi đĩ, sẽ cĩ kết quả:
s(t) = r(t) * f(t) = k[ x(t)* p (t)]*f(t) = k[x(t) * f(t) * p(t) Trong đĩ: *: biểu diễn tích chập.
k: hệ số tỉ lệ của các đáp ứng tách sĩng.
Để xác định p(t) tốt nhất, tích chập giữa x(t) và p(t) là xung. Trong nhiều trƣờng hợp, để đơn giản hĩa, thơng thƣờng bộ lọc thu cĩ đáp ứng trùng với xung thăm dị. Khi đĩ, ta sẽ cĩ đáp ứng cuối cùng của tồn bộ hệ thống sau bộ lọc nhƣ sau:
s(t) = k[x(t) x(t)] * p(t)
Ở đây dấu ký hiệu cho phép quan hệ và biểu thức tự nĩ trở thành tƣơng quan với xung thăm dị. Kết quả này rấy quan trọng bởi nĩ chỉ ra rằng khơng cần phải cĩ một tín hiệu xung ngắn mà chỉ cần cĩ các xung giống đáp ứng xung là đủ. Đĩ là cơ sở của các thiết bị OTDR
- Bộ xử lý tín hiệu thực hiện (Signal Processor): Bộ xử lý tín hiệu thực hiện nhiều chức năng khác nhau nhƣ:
Đồng bộ giữa phát xung và thu xung Phối hợp các tín hiệu và lấy trung bình
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ Tự động diều chỉnh và tính tốn các thơng số đo
Phân tích dạng sĩng
Đƣa ra các đặc tính hoặc các tín hiệu chuyển mạch
Biến đổi thành các dạng khác nhau, phụ thuộc vào kỹ thuật sử dụng thực tế.
- Màn hình (Display):
Màn hình là một CRT hiển thị biểu đồ dạng sĩng đo đƣợc, bao gồm các đặc điểm chủ yếu mà cĩ thể nhận đƣợc từ thiết bị đo tán xạ ngƣợc (trong cùng một loại sợi) nhƣ sau:
Phản xạ cuối đầu vào sợi Suy hao sợi
Biểu diễn phản xạ ở mối hàn Biểu diễn phản xạ ở connector
Biểu diễn phản xạ ở chỗ đứt sợi (cuối đầu ra của sợi)
3.1.2. Các thơng số chính:
3.1.2.1. Tần số phát xung:
Để cĩ đƣờng biểu diễn chính xác ngƣời ta cho phĩng nhiều xung rồi lấy giá trị trung bình của các xung phản xạ. Tần số phát xung cĩ liên quan đến tốc độ truyền của ánh sáng trong sợi và chiều dài sợi.
Thời gian để một xung ánh sáng truyền từ đầu sợi đến cuối sợi rồi phản xạ về đầu sợi là: C n L v L t 2 2 1 (3.2) Với L: là chiều dài sợi
1
n c
v : Vận tốc ánh sáng truyền trong sợi
Thời gian trên cũng chính là chu kỳ tối thiểu của chuỗi xung nên tần số tối đa của chuỗi xung là:
1 max . . 2 1 n L C t f (3.3)
Muốn đo sợi càng dài thì tần số phát xung phải càng thấp. Thơng thƣờng tần số phát xung trong khoảng thấp hơn 1kHz.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ Trong trƣờng hợp này, khoảng cách tối đa Lmaxcĩ thể đo đƣợc bằng:
10 ( ) 10 . 5 , 1 . 2 10 . 3 . 2 1 5 3 8 max max m f n C L = 100 Km 3.1.2.2. Độ phân giải:
Khoảng cách tối thiểu của hai chƣớng ngại vật gần nhau mà máy đo cịn phân biệt đƣợc cho biết khả năng phân giải của máy. Độ phân giải phụ thuộc bề rộng của xung ánh sáng. Thời gian để truyền hết một xung ánh sáng qua một điểm trên sợi cũng chính là bề rộng của xung. Cự ly truyền tƣơng ứng với thời gian truyền này là:
. . 2 1 min v l (3.4) Trong đĩ: + Thừa số: 2 1
do ánh sáng truyền theo hai chiều. + v = :
1
n c
Vận tốc ánh sáng truyền trong sợi. + : bề rộng xung.
Nĩi chung bề rộng xung càng rộng thì lmin càng lớn tức là độ phân giải càng kém và ngƣợc lại. Bề rộng xung của các máy trên thực tế cĩ thể điều chỉnh đƣợc từ vài chục ns đến vài μs tƣơng ứng với lmin 5m 100m
Khi đo cự ly gần thì dùng T nhỏ nhỏ để tăng độ phân giải cịn khi đo cự ly xa thì dùng T lớn để tăng dải động.
3.1.2.3. Dải động:
Cự ly tối đa mà máy OTDR cĩ thể đo đƣợc phụ thuộc vào dải động của máy và độ suy hao trung bình của sợi quang. Để xác định dải động của máy cần phân tích sự phân bố cơng suất quang do máy phát ra (hình 3.4).
Dải động đơn hƣớng (SWDR: Single Way Dynamic Range) của một máy OTDR là mức suy hao lớn nhất của sợi quang mà khi đo cĩ thể quan sát đƣợc từ đầu đến cuối sợi. Dải động đơn hƣớng, gọi tắt là dải động, đƣợc tính bởi:
SWDR pp PD L R SNI
2 1
(3.5) - Pp: Cơng suất của laser
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ - L = L1 + L2 : Tổng sung hao ghép theo hai hƣớng đi và về.
- R: Tỉ số cơng suất tán xạ ngƣợc so với cơng suất tới - SNI : (Signal to noise improvement): Độ cải thiện nhiễu
Hình 3.4 Sơ đồ phân bố cơng suất quang của một máy OTDR.
Dải động của các nhà máy OTDR hiện nay vào khoảng 20 dB đến 35 dB. Chiều dài sợi tối đa cĩ thể đo đƣợc là:
Lmax Km SWDR (3.6)
- SWDR : dải động đơn hƣớng, đơn vị dB.
- : Độ suy hao trung bình ( kể cả suy hao mối hàn ) đơn vị dB/Km .
Dải động và độ phân giải của 1 máy OTDR cĩ liên quan với nhau thơng qua độ rộng xung T, xung càng rộng thì năng lƣợng quang phĩng vào sợi càng lớn nên dải động càng cao nhƣng độ phân giải càng kém và ngƣợc lại .
3.1.3. Các ứng dụng của máy đo quang dội OTDR:
3.1.3.1. Đo suy hao tồn tuyến:
Dựa vào độ chênh lệch của cơng suất tán xạ ngƣợc ở đầu và cuối sợi ( hình 3.5) để tính ra suy hao tồn tuyến theo cơng thức:
) ( ) ( . log . 10 . 2 1 ) ( 2 1 mw P mw P dB A (3.7)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ Trong đĩ :P1(mw): Cơng suất tán xạ ngƣợc thu đƣợc ở đầu sợi.
P2(mw): Cơng suất tán xạ ngƣợc thu đƣợc ở cuối sợi.
Các máy đo ngày nay thƣờng chia trục tung theo đơn vị dBm và cĩ khi đã tính sẵn hệ số 1/2 trên thang chia nên việc tính suy hao đơn giản hơn: