Đồ án nghiên cứu các phương pháp đo tán sắc trong sợi quang

ĐỒ ÁN NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO TÁN SẮC TRONG SỢI QUANG SVTT : NGUYỄN VĂN ĐỨC LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án nghiên cứu phƣơng pháp đo tán sắc sợi quang LỜI NĨI ĐẦU Hiện nay, hệ thống thơng tin quang chiếm hầu hết tuyến truyền dẫn quan trọng mạng lƣới viễn thông Mọi ngƣời thừa nhận phƣơng thức truyền dẫn quang thể khả to lớn việc chuyển tải dịch vụ viễn thông ngày phong phú, loại Các hệ thống thơng tin quang có u điểm trội hẳn hệ thống trƣớc băng tần rộng, cự ly thông tin… Điều gây sức hấp dẫn mạnh mẽ lên nhà khai thác tuyến truyền dẫn Song, giai đoạn đẩy mạnh cơng nghiệp hóa tiến đến năm 2020 Việt Nam trở thành nƣớc công nghiệp, nhu cầu trao đổi thông tin liên lạc ngày tăng cao, không dừng lại phạm vi lãnh thổ quốc gia mà cịn vƣơn xa giới Chính lẽ mà hệ thống thơng tin quang phải có phát triển nhanh chóng, việc tăng cự ly truyền dẫn , tăng băng thông… Tăng khoảng cách đồng nghĩa với việc băng thông hẹp, đó, hệ thống thơng tin quang nay, hệ thống tốc độ bit cao, phần lớn hoạt động vùng bƣớc sóng 1550 nm nhằm sử dụng khuếch đại quang pha tạp erbium (EDFA) để tăng cự ly truyền dẫn Tuy vậy, vấn đề gặp phải hệ thống tán sắc Tán sắc gây ảnh hƣởng lớn tới hệ thống nhƣ làm méo tín hiệu, giao thoa kí tự ( ISI-intersymbol interference), làm xuống cấp chất lƣợng truyền dẫn hậu trí khơng chấp nhận đƣợc Nhìn chung hậu tán sắc tới lực truyền dẫn, chất lƣợng hệ thống phức tạp, điều gây nhiều khó khăn cho việc thiết kế hệ thông thông tin quang tốc độ cao, cự ly xa Vì vậy, việc xác định ảnh hƣởng tán sắc cách định lƣợng vô quan trọng, cần thiết để sở xác định việc bù tán sắc sợi Để tìm hiểu vấn đề em thực hiên đề tài “Nghiên cứu phƣơng pháp đo tán sắc sợi quang” Nội dung đề tài gồm chƣơng CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG Trong chƣơng ta tìm hiểu tổng quan hệ thống thông tin quang, nội dung phát triển hệ thống thông tin quang, sơ lƣợc thông tin quang CHƢƠNG 2: SỢI QUANG Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án nghiên cứu phƣơng pháp đo tán sắc sợi quang Chƣơng ta vào tìm hiểu nguyên lý lan truyền ánh sáng sợi quang, mơ hình quang hình học đơn giản tới mơ hình lý thuyết sóng chung dựa vào phƣơng trình Maxwell Sau phần cịn lại chƣơng để tìm hiểu sở tán sắc màu tƣợng phi tuyến sợi quang CHƢƠNG 3: CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO TÁN SẮC TRONG SỢI QUANG Trong chƣơng tìm hiểu ta tìm hiểu ảnh hƣởng tán sắc tới hệ thống thông tin sợi quang, số biện pháp để đo chúng *** Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án nghiên cứu phƣơng pháp đo tán sắc sợi quang MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU DANH MỤC HÌNH VẼ CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 1.2 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG ĐIỂN HÌNH 10 1.2.1 Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang 10 1.2.2 Ƣu điểm, nhƣợc điểm hệ thống thông tin sợi quang 13 1.3 ỨNG DỤNG VÀ XU THẾ PHÁT TRIỂN 14 1.3.1 Ứng dụng Viễn thông 14 1.3.2 Ứng dụng dịch vụ tổng hợp 15 CHƢƠNG SỢI QUANG 18 2.1 MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ ÁNH SÁNG 18 2.1.1 Sóng điện từ 18 2.1.2 Quang hình 20 2.1.2.1 Chiết suất khúc xạ (Refractive index) 20 2.1.2.2 Phản xạ, khúc xạ, phản xạ toàn phần định luật Snell 21 2.1.1 Lƣợng tử 23 2.2 MƠ TẢ QUANG HÌNH QUÁ TRÌNH TRUYỀN ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG 24 2.2.1 Cấu tạo sợi quang 24 2.2.2 Truyền dẫn ánh sáng sợi quang Khẩu độ số NA (Numerical Aperture) 25 2.2.3 Phân loại sợi quang 28 2.3 TRUYỀN SÓNG ÁNH SÁNG TRONG SỢI QUANG 32 2.3.1 Hệ phƣơng trình Maxwell 32 2.3.2 Phƣơng trình sóng đặc trƣng cho lan truyền sóng điện từ (EM) mơi trƣờng suy hao 36 2.3.3 Phƣơng trình sóng đặc trƣng cho lan truyền sóng điện từ ống dẫn sóng chữ nhật 38 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án nghiên cứu phƣơng pháp đo tán sắc sợi quang 2.3.4 Phƣơng trình sóng đặc trƣng cho sợi quang 42 2.3.5 Hiểu thêm mode 43 2.3.5.1 Mode tự nhiên (mode thực hay xác) 43 2.3.5.2 Ba loại mode: dẫn, xạ rò 44 2.3.5.3 Vận tốc pha vận tốc nhóm 44 2.3.5.5 Đƣờng kính trƣờng mode (MFD) 48 2.3.5.6 Chiết suất hiệu dụng 49 2.4 CÁC ĐẶC TÍNH TRUYỀN DẪN CỦA SỢI QUANG 49 2.4.1 Suy hao 50 2.4.1.1 Tổng quan 50 2.4.1.2 Suy hao hấp thụ 51 2.4.1.3 Suy hao tán xạ tuyến tính 53 2.4.1.4 Suy hao uốn cong 55 2.4.1.5 Suy hao dải thông 56 2.4.2 Các hiệu ứng phi tuyến 57 2.4.3 Tán sắc 59 2.4.3.1 Tổng quan 59 2.4.3.2 Tán sắc mode 60 2.4.3.3 Tán sắc vật liệu 63 2.4.3.4 Tán sắc ống dẫn sóng 65 2.4.3.5 Tán sắc phân cực mode 67 2.4.3.6 Mối quan hệ tán sắc dải thông 68 CHƢƠNG CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO TÁN SẮC TRONG SỢI QUANG 70 3.1 ẢNH HƢỞNG CỦA TÁN SẮC ĐẾN HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 70 3.1.1 Dãn xung tán sắc 70 3.1.2 Ảnh hƣởng tán sắc tới hệ thống thông tin quang 71 3.1.2.1 Phƣơng trình truyền dẫn 71 3.1.2.2 Các xung Gaussian bị lệch tần (chirp) 73 3.2 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO TÁN SẮC VÀ DẢI THÔNG SỢI QUANG 80 3.2.1 Phƣơng pháp đo đáp ứng xung 81 3.2.2 Phƣơng pháp đo miền tần số 84 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án nghiên cứu phƣơng pháp đo tán sắc sợi quang 3.2.3 Đo độ rộng băng tuyến sợi quang 88 3.2.4 Sai số đo đặc 89 3.2.5 Giới thiệu máy phân tích quang phổ 90 3.2.6 Yêu cầu kĩ thật trƣớc đo 92 KẾT LUẬN 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO 96 *** Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án nghiên cứu phƣơng pháp đo tán sắc sợi quang DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu hình hệ thống thơng tin quang Hình 1.2 Cấu trúc hệ thống thơng tin quang Hình 1.3 Minh họa tuyến truyền dẫn quang theo hai hƣớng Hình 1.4 Cấu trúc đơn giản trạm nặp quang Hình 1.5 Thành phần tuyến truyền dẫn quang cự ly xa Hình 1.6 Kết nối tổng đài sợi quang Hình 1.7 Mạng truyền hình cáp Hình 2.1 Sóng điện từ, hình tĩnh Hình 2.2 Phổ sóng điện từ Hình 2.3 Hiện tƣợng phản xạ khúc xạ ánh sang Hình 2.4 Ánh sáng từ mơi trƣờng chiết suất nhỏ sang môi trƣờng chiết suất lớn Hình 2.5 Hiện tƣợng phản xạ tồn phần Hình 2.6 Sơ đồ mức lƣợng Hình 2.7 Ánh sáng lan truyền sợi quang Hình 2.8 Cấu tạo sợi quang Hình 2.9 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng sợi quang Hình 2.10 Khẩu độ số sợi quang Hình 2.11 Sự truyền ánh sáng sợi quang có chiết suất nhảy bậc (SI) Hình 2.12 Sự truyền ánh sáng sợi GI Hình 2.13 Các thơng số sơi đa mode Hình 2.14 Các thơng số sợi đơn mode Hình 2.15 Sóng điện từ ngang TEM Hình 2.16 Sóng điện từ ngang phẳng tắt dần Hình 2.17 Ống dẫn sóng hình chữ nhật Hình 2.18 Sự thay đổi thành phần trƣờng mode TE10 Hình 2.19 Các đƣờng sức sóng TE10 ống dẫn sóng Hình 2.20 Các đƣờng sức bốn mode tự nhiên bậc thấp sợi SI Hình 2.21 Đồ cƣờng độ hình mãu sáu mode LP Hình 2.22 Ví dụ kết hợp mode HE21+ TE01 HE21 + TM01 thành mode LP11 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án nghiên cứu phƣơng pháp đo tán sắc sợi quang Hình 2.23 Sự tập chung công suất nhƣ hàm tần số chuẩn hóa V Hình 2.24 Sự phân bố lƣợng trƣờng sợi quang Hình 2.25 Suy hao sợi quang Hình 2.26 Độ hấp thụ tạp chất kim loại Hình 2.27 Sự hấp thụ ion (với nồng độ ) Hình 2.28 Suy hao hấp thụ vùng cực tím hồng ngoại Hình 2.29 Suy hao bên sợi quang Hình 2.30 Suy hao uốn cong thay đổi theo bán kính cong Hình 2.31 Tán sắc làm độ rộng xung ngõ tăng Hình 2.32 Tán sắc mode sợi đa mode SI Hình 2.33 Độ trải rộng xung mode sợi đa mode GI có theo g Hình 2.34 Sự phụ thuộc hệ số tán sắc theo bƣớc sóng Hình 2.35 Tán sắc ống dẫn sóng Hình 2.36 Tán sắc sắc thể bao gồm tán sắc vật liệu tán sắc ống dẫn sóng sợi quang Hình 2.37 Hiện tƣợng tán sắc ánh sáng qua lăng kính Hình 2.38 Ánh sáng lan truyền sợi quang bị tán sắc Hình 2.39 Minh họa tán sắc phân cực mode Hình 3.1 Nguyên lý phép đo đáp ứng xung Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống đo đáp ứng xung Hình 3.3 Nguyên lý phƣơng pháp đo quét tần số Hình 3.4 Sơ đồ khối hệ thống đo quét tần số Hình 3.5 Các thành phần máy phân tích phổ Hình 3.5 Lọc trung tần *** Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án nghiên cứu phƣơng pháp đo tán sắc sợi quang CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THÔNG TIN QUANG GIỚI THIỆU Kỹ thuật thông tin quang ngày sử dụng rộng rãi viễn thơng, truyền số liệu, truyền hình cáp… Trong chƣơng tìm hiểu đời phát triển thông tin quang, cấu trúc tổng quát hệ thống thông tin quang, ƣu điểm nhƣợc điểm cáp sợi quang, lĩnh vực ứng dụng công nghệ thông tin sợi quang 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG Việc thông tin liên lạc ánh sáng sớm xuất phát triển loài ngƣời ngƣời trƣớc liên lạc với cách dấu (Hand signal) Liên lạc cách dấu dạng thông tin quang: khơng thể dấu bóng tối Ban ngày, mặt trời nguồn ánh sáng cho hệ thống (hệ thống "Hand signal") Thông tin đƣợc mang từ ngƣời gởi đến ngƣời nhận dựa vào xạ mặt trời Mắt thiết bị thu thông điệp này, não xử lý thông điệp Thông tin truyền theo kiểu chậm, khoảng cách lan truyền có giới hạn, lỗi lớn Một hệ thống quang sau đó, có đƣờng truyền dài hơn, tín hiệu khói (Smoke signal) Thơng điệp đƣợc gởi cách thay đổi dạng khói phát từ lửa Mẫu khói lần đƣợc mang đến phía thu ánh sáng mặt trời Hệ thống đòi hỏi phƣơng pháp mã hóa phải đƣợc đặt ra, mà ngƣời gởi ngƣời thu thông điệp phải đƣợc học Điều có thể so sánh với hệ thống mã xung (pulse codes) sử dụng hệ thống số (digital system) đại Trải qua thời gian dài từ ngƣời sử dụng ánh sáng mặt trời lửa để làm thông tin liên lạc đến lịch sử thông tin quang qua bƣớc phát triển hồn thiện tóm tắt mốc sau đây: - Năm 1775: Paul Revere sử dụng ánh sáng để hiệu quân đội Anh từ Boston kéo tới - Năm 1790: Claude Chappe, kỹ sƣ ngƣời Pháp, xây dựng hệ thống điện báo quang (optical telegraph) Hệ thống gồm chuỗi tháp với đèn báo hiệu Thời tin tức đƣợc truyền với tín hiệu vƣợt chặng đƣờng Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án nghiên cứu phƣơng pháp đo tán sắc sợi quang 200 Km vòng 15 phút - Năm 1854: John Tyndall, nhà vật lý tự nhiên ngƣời Anh, thực thành cơng thí nghiệm đáng ý ánh sáng truyền qua mơi trƣờng điện môi suốt - Năm 1870: John Tyndall chứng minh đƣợc ánh sáng dẫn đƣợc theo vòi nƣớc uốn cong dựa vào nguyên lý phản xạ toàn phần - Năm 1880: Alexander Graham Bell, ngƣời Mỹ, phát minh hệ thống thơng tin ánh sáng, hệ thống photophone Ông ta sử dụng ánh sáng mặt trời từ gƣơng phẳng mỏng điều chế tiếng nói để mang tiếng nói Ở máy thu, ánh sáng mặt trời đƣợc điều chế đập vào tế bào quang dẫn, selen, biến đổi thơng điệp thành dịng điện Bộ thu máy điện thoại hoàn tất hệ thống Hệ thống photophone chƣa đạt đƣợc thành cơng thƣơng mại, làm việc tốt hơn, nguồn nhiễu lớn làm giảm chất lƣợng đƣờng truyền - Năm 1934: Norman R.French, kỹ sƣ ngƣời Mỹ, nhận đƣợc sáng chế hệ thống thông tin quang Phƣơng tiện truyền dẫn ông thủy tinh - Vào năm 1950: Brian O'Brien, Harry Hopkins Nariorger Kapany phát triển sợi quang có hai lớp, bao gồm lớp lõi (Core) bên (ánh sáng lan truyền lớp này) lớp bọc (Cladding) bao xung quanh bên lớp lõi, nhằm nhốt ánh sáng lõi Sợi sau đƣợc nhà khoa học phát triển thành Fibrescope uốn cong (một loại kính soi sợi quang), thiết bị có khả truyền hình ảnh từ đầu sợi đến cuối sợi Tính uốn cong fiberscope cho phép ta quan sát vùng mà ta xem cách bình thƣờng đƣợc Đến nay, hệ thống fiberscope đƣợc sử dụng rộng rãi, đặc biệt ngành y dùng để soi bên thể ngƣời - Vào năm 1958: Charles H.Townes phát minh Laser cho phép tăng cƣờng tập trung nguồn sáng để ghép vào sợi - Năm 1960: Theodor H.Maiman đƣa laser vào hoạt động thành công, làm tăng dung lƣợng hệ thống thông tin quang cao - Năm 1966: Charles K.Kao George Hockham thuộc phịng thí nghiệm Standard Telecommunication Anh thực nhiều thí nghiệm để chứng minh thủy tinh đƣợc chế tạo suốt cách giảm tạp chất thủy tinh suy hao ánh sáng đƣợc giảm tối thiểu Và họ cho sợi quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án nghiên cứu phƣơng pháp đo tán sắc sợi quang ∫ (3.43) Trong đó: ∫ (3.44) : Là độ trễ xung ∫ (3.45) Nếu xung đƣợc gần cho dƣới dạng phân bố luật Gauss đáp ứng xung thể đƣợc xác định từ độ rộng xung độ rộng xung có (3.46) Độ tán xạ T đƣợc xác định từ độ rộng xung vào xung ra: (3.47) √ Với: L chiều dài sợi quang Gọi hàm mô tả dạng xung đầu vào đáp ứng xung sợi đo thiết bị đo h(t) h’(t) Khi ta có mơ tả dạng xung đầu ra: (3.48) Đối với sợi chuẩn ( ta có: (3.49) : Là công suất xung sợi tham khảo, biểu thức (3.48) khơng có mặt đáp ứng xung đoạn sợi chuẩn ảnh hƣởng đến cơng suất bé nên bỏ qua Biến đổi Fourier biểu thức (3.48) (3.49) ta có: Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 82 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án nghiên cứu phƣơng pháp đo tán sắc sợi quang (3.50) (3.51) Nhƣ ta có: (3.52) Sơ đồ đo Nhƣ hàm truyền đạt sợi quang đƣợc hiểu nhƣ tỉ số biến đổi Fourier dạng xung đo đoạn sợi cần đo dài với dạng xung đo dạng sợi chuẩn ngắn Từ hàm chuyển đổi ta có độ rộng băng B đƣợc xác định lƣợng bẳng tần số thấp mà biên độ hàm chuyển đổi giảm phần định (khoảng ½) giá trị tần số chuẩn Ở sơ đồ này, tạo xung laser phát xung ngắn, qua tách luồng đƣợc chia làm Luồng Một luồng qua vi thấu kính hội tụ, qua trơn mode đƣợc ghép vào sợi quang cần đo Một luồng qua thấu kính tới Camera thu hình, Camera đƣợc nối với hình quan sát, hình giúp ta quan sát đƣợc điều kiện bơm lƣợng quang vào sợi Các xung từ đầu sợi đo đƣợc tách photodiode tốc độ cao đƣợc hiển thị hình thiết bị báo dao động Ở sơ đồ, trễ dung để tạo tín hiệu đóng mở báo thời gian thời điểm thích hợp Dạng xung đƣợc đƣa đến máy tính ghi vào băng từ, phép đo đƣợc lặp lại với sợi tham khảo ngắn Máy tính xử lý kết cho biết độ tán xạ nhƣ theo công thức Nếu dạng xung vào sợi quang gần giống với dạng Gauss, độ rộng băng sợi giá trị suy giảm 3dB cơng suất quang thu đƣợc tính bằng: hay (3.53) Với [B] = Ghz, [ ] = ns, [T] = ns Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 83 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án nghiên cứu phƣơng pháp đo tán sắc sợi quang Tuy nhiên giá trị B giá trị gần đúng, để đo kết xác ta phải tính chuyển đổi Fourier xung vào ra, để từ tính đƣợc B giá trị biên độ giảm 3dB so với giá trị biên độ tần số Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống đo đáp ứng xung Trong đo để ấn định độ xác máy đo chuỗi xung phát phải có độ rộng phù hợp với đáp ứng xung dự tính sợi quang Nếu độ rộng băng sợi lớn, xung đo phải hẹp nhiều so với đáp ứng xung sợi ngƣợc lại 3.2.2 Phƣơng pháp đo ong miền tần số Hình 3.3 Nguyên lý phương pháp quét tần số Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 84 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án nghiên cứu phƣơng pháp đo tán sắc sợi quang Hàm truyền đạt sợi quang đƣợc đo trực tiếp miền tần số Nguyên lý phƣơng pháp quét tần số đƣợc trình bày nhƣ hình 3.3 Nguồn quang Laser LED đƣợc điều chế tín hiệu hình sin từ tạo sóng quét Tín hiệu quang đƣợc bơm vào sợi đo tín hiệu đƣợc thu diode PIN APD, diode đƣợc nối với phân tích phổ, tần số tín hiệu từ tạo sóng quét đƣợc nối trực tiếp vào phân tích phổ (3.54) (3.55) Trong đó: : Hàm truyền đạt máy đo : Hàm truyền đạt đo sợi dài : Hàm truyền đạt đo sợi đo ngắn : Hàm truyền đạt sợi cần đo Lấy (3.54) chia cho (3.55) ta đƣợc: (3.56) Hàm truyền đạt đƣợc viết dƣới dạng: H(w) = | | (3.57) Trong đó: | | Là đáp ứng biên độ đáp ứng pha Nhƣ vậy, hàm truyền đạt sợi quang đƣợc đo miền thời gian tần số phƣơng pháp dãn xung phƣơng phƣơng pháp quét tần số Tùy vào mức độ trang bị máy đo mà ngƣời ta chọn phƣơng pháp đo thích hợp Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 85 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án nghiên cứu phƣơng pháp đo tán sắc sợi quang Kỹ thuật đo miền thời gian địi hỏi phải có phƣơng tiện để tạo tách xung hẹp Một máy tính phải cần đến để tính tốn biến đổi Fourier Mặt khác đáp ứng pha hoàn toàn tự động Kĩ thuật đo miền tần số việc tính tốn đơn giản hàm truyền đạt sử dụng cách thực phƣơng pháp chia phép trừ đơn vị dB Trái lại việc khó khăn phải có tạo tín hiệu hoạt động dải tần lên đến hàng Ghz Khi ta đo độ rộng băng sợi quang ta cần phải nhớ bao gồm loại: độ méo mode độ tán sắc Độ rộng tổng đƣợc biểu diễn biểu thức sau: √ (3.58) Trong đó: : Độ rộng tổng đo đƣợc : Độ rộng méo mode : Độ rộng băng tán sắc : Hệ số tán sắc (méo sắc) (ps/nm.km) : Độ rộng đƣờng gốc L: độ dài đoạn (km) Nếu cần, độ rộng mode thu đƣợc nhƣ sau: nhƣ hai đáp ứng băng sợi mode phổ nguồn coi dạng Gauss thể tìm đƣợc từ phƣơng trình (3.58) độ rộng băng sợi thu đƣợc độ rộng băng có biết tính đƣợc Sơ đồ đo Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 86 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án nghiên cứu phƣơng pháp đo tán sắc sợi quang Đây sơ đồ hệ thống đo đƣợc xây dựng phịng thí nghiệm truyền dẫn bƣu điện Phần Lan Nguồn quang diode laser CW GOANA hoạt động bƣớc sóng 857 nm (hay laser khác hoạt động bƣớc sóng 1320 nm) Vì hàm chuyển đổi sợi quang phụ thuộc mạnh vào điều kiện bơm Bởi khả tái tạo lại phép đo có chất lƣợng Để tăng chất lƣợng phép đo, ngƣời ta sử dụng ngẫu nhiên mode Thƣờng ngƣời ta ghép vào đoạn sợi laser dụng loại sợi SI GI Độ dài sợi đa thƣờng 2m Để đo độ rộng băng ta cần quan tâm tới đáp ứng biên độ hàm chuyển đổi khơng cần quan tâm tới đáp ứng pha Do ta dung phân tích phổ để đo đáp ứng biên độ sợi Bộ phân tích phỏ đƣợc sử dụng phân tích phổ kiểu HP – 8568A, với dải tần 100Hz đến 1500 MHz, hệ thống đƣợc nối với quét đồng chỉnh với quét Bộ qt có dải tần từ 0,5 – 1500 MHz Hình 3.4 Sơ đồ khối hệ thống đo quét tần số Máy tính đƣợc dùng HP – 85 để điều khiển phân tích phổ laser đƣợc điều chế tín hiệu hình sin lấy từ phát đồng chỉnh, tín hiệu quang sau Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 87 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án nghiên cứu phƣơng pháp đo tán sắc sợi quang đƣợc điều chế đƣợc bơm vào sợi quang cần đo Bộ phát tín hiệu quét đồng chỉnh, dải tần chọn lọc phận phân tích phổ đo mức tín hiệu Đáp ứng biên độ sợi đo có đƣợc nhờ chia kết đo với sợi đo cho kết đo với sợi chuẩn Độ rộng băng sợi đo đƣợc xác định tần số thấp mà biên độ đáp ứng biên độ cảu sợi suy giảm dB Kết đo hai phép đo đƣợc ghi lại máy tính vẽ đáp ứng biên độ độ rộng băng sợi Trong thực tế ta có khó khăn máy phân tích phổ khơng thể nối đồng chỉnh với tạo sóng qt chúng hai đầu khác hai đoạn tạo sóng quét HP 6820 A với dải tần từ 10 – 1300 MHz Bộ tạo sóng dung chế độ chạy tự với độ phân tích lớn, tồn đáp ứng biên độ có đƣợc sau – phút lƣu trữ Phạm vi dải tần hệ thống đo hoạt động từ 10 – 1200 MHZ với hai miền bƣớc sóng 850 nm – 1300 nm Với hệ thống đo đƣợc loại sợi có suy hao khoảng 20 – 25 dB Một trở ngại chủ yếu phép đo không đồng chỉnh làm tăng thời gian đo quan hệ dải thơng thấp, u cầu lọc trung tần IF máy phân tích phổ phải có dải rộng nhằm hạn chế hai nhƣợc điểm 3.2.3 Đo độ rộng băng tuyến sợi quang Bằng phƣơng pháp ta tính đƣợc độ rộng băng sợi riêng lẻ Trong thực tế đo trƣờng, ta phải đo tuyến cáp gồm nhiều sợi riêng lẻ hàn nối với Nếu biết tất hàm chuyển đổi sợi ta khơng thể tính hàm chuyển đổi tuyến cách đơn giản nhân tất chúng với đƣợc Vì kết liên quan nhiều đến tƣợng phát sinh hàn nối cáp, mà ảnh hƣởng chủ yếu tƣợng đảo mode Ta có phụ thuộc băng B vào độ dài sợi có biểu thức sau: (3.59) Trong đó: Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 88 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án nghiên cứu phƣơng pháp đo tán sắc sợi quang B: Độ rộng băng tần sợi dài L km (MHz) : Tích số độ rộng băng độ dài độ rộng băng sợi dài km (MHz.km) L: Độ dài sợi (km) : hệ số ghép nối độ rộng băng phạm vi 0.5 – phụ thuộc vào tƣợng đảo Giá trị tiêu biểu mode mối hàn, vào tham số mặt cắt , bƣớc sóng độ rộng băng lớn Cũng có giá trị ngắn nhỏ giới hạn trên, nói chung với sợi GI với sợi GI dài Độ rộng băng tổng phần sợi có đƣợc từ cơng thức sau: (∑ ) (3.60) Ở đây: : Độ rộng băng tổng : Độ rộng băng thức i phần sợi : Hệ số ghép nối độ rộng băng : Thƣờng nằm khoảng 0,5 – đƣợc nhà cung cấp ghi sợi 3.2.4 Sai số ong đo đặc Nhìn chung, đo đặc, hai nguyên nhân dẫn tới sai số là: sai số máy đo, sai số phƣơng pháp đo a) Sai ố máy đo Đặc điểm chung loại máy đo quang phổ: - Trong phân tích quang phổ ngƣời ta hệ thống thiết bị chia thành khối chức sau: hệ thống chiếu sáng, hệ thống tán sắc, hệ thống ghi phổ Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 89 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án nghiên cứu phƣơng pháp đo tán sắc sợi quang  Hệ thống chiếu sáng bao gồm: nguồn kích thích hệ thống tụ quang để chiếu sáng vào khe máy quang phổ  Hệ thống tán sắc gồm có: khe quang phổ,hai hệ thống vật kính chuẩn trực buồng ảnh,và chủ yếu phần tử tán sắc  Hệ thống nhận – ghi phổ đƣợc đặt vào mặt tiêu cự máy Trong máy nhìn mắt mặt tiêu cự ngƣời ta đặt thị kính Với máy quang phổ chụp ảnh ngƣời ta đặt kính ảnh với máy quang phổ điện ngƣời ta đặt khe có lắp tế bào quang điện nhãn quang điện cấu trúc ghi phổ cần thiết Nguyên nhân gây sai số dụng cụ: • Do thay đổi cơng suất nguồn • Các đặc tính detector nhiễu điện • Các vị trí cuvet • Ngồi ln ln xuất sai số chủ quan ngƣời đo máy có liên quan đến việc tính số theo thang mật độ quang hay độ truyền quang Nguồn sai số thƣờng từ 0,2 – 1% b) Sai ố phƣơng pháp đo Loại sai số chủ yếu ngƣời thực đo chƣa nắm vũng thao tác, bƣớc tiến hành từ dẫn tới sai số 3.2.5 Giới thiệu máy phân tích quang phổ Hình 3.5 Các thành phần máy phân tích phổ Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 90 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án nghiên cứu phƣơng pháp đo tán sắc sợi quang - Bộ lọc trung tần (IF Filter): Bộ lọc IF lọc thông dải, lựa chọn thành phần tín hiệu mong muốn sau mixer loại bỏ thành phần khác Hình 3.5 Lọc trung tần RBW điều chỉnh băng thông lọc trung tần, điều chỉnh độ phân giải máy phân tích phổ - Bộ lọc thơng thấp (Low pass filter (Preselector): Loại bỏ tín hiệu tần số cao, tín hiệu không mong muốn vào mixer - Detector – Bộ nhận dạng đƣờng bao: Các máy phân tích phổ đại sử dụng công nghệ số ( ADC ) để xử lý tín hiệu loại máy có thêm nhiều chế độ tách đƣờng bao :  Gồm có: diode, điện trở lọc thơng thấp  Có tác dụng biến đổi tín hiệu qua lọc IF thành tín hiệu hiển thị hình  Diode có tác dụng cho thành phần chiều qua  Cần ý đặt RBW đủ nhỏ để tách đƣợc tín hiệu gần  Độ phân giải lọc trung tần IF định độ thay đổi max ảnh tách đƣờng bao - Bộ lọc video: Có tác dụng làm giảm nhiễu, làm mƣợt tín hiệu hiển thị hình  Là lọc thơng thấp nằm phía sau lọc IF, đinh băng thơng tín hiệu video đƣợc lƣợng tử hố hiển thị mức biên độ Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Đức – kĩ thuật TT&TT K50 91 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án nghiên cứu phƣơng pháp đo tán sắc sợi quang  Băng thông nhỏ VBW so với IF làm cho lọc video ko theo kịp biến đổi nhanh tín hiệu lối IF, cắt bỏ làm mƣợt tín hiệu hiển thị  Khi giảm VBW, biên độ peak-to-peak nhiễu giảm đi, giảm hàm tỉ số VBW:RBW  Ở chế độ tách sóng positive peak, khi: VBW>RBW peak-to-peak nhiễu gần nhƣ ko đổ ivà VBW