phương pháp đo trên cáp sợi quang và hệ thống truyền dẫn quang

Ở trình độ phát triển cao về thông tin như hiện nay,các hệ thống thông tin quang được coi là các hệ thống thông tin tiêntiến bậc nhất, nó đã được triển khai nhanh trên mạng lưới viễn thô

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, các hệ thống thông tin được pháttriển mạnh mẽ hơn bao giờ hết, đáp ứng được phần nào sự bùng nổthông tin trên toàn thế giới Các mạng thông tin điện hiện đại có cấutrúc điển hình gồm các nút mạng được tổ chức nhờ các hệ thốngtruyền dẫn khác nhau như cáp đối xứng, cáp đồng trục, sóng vi ba, vệtinh… Nhu cầu thông tin ngày càng tăng, đòi hỏi số lượng kênhtruyền dẫn rất lớn, song các hệ thống truyền dẫn kể trên không tổchức được các luồng kênh cực lớn

Đối với kỹ thuật thông tin quang, người ta đã có thể tạo ra đượccác hệ thống truyền dẫn tới vài chục Gb/s Một số nước trên thế giớingày nay, hệ thống truyền dẫn quang đã chiếm trên 50% toàn bộ hệthống truyền dẫn Xu hướng mới hiện nay của ngành Viễn thôngthếgiới là cáp quang hoá hệ thống truyền dẫn nội hạt, quốc gia, vàđường truyền dẫn quốc tế

Đối với Việt Nam chúng ta, với chính sách đi thẳng vào côngnghệ hiện đại, trong những năm qua, ngành Bưu điện Việt Nam đãhoàn thành vô hoá mạng lưới truyền dẫn liên tỉnh, xây dựng và đưavào sử dụng hệ thống truyền dẫn quang quốc gia 2,5 Gb/s với cấuhình Ring Và trong giai đoạn hiện nay ngành đang chủ trương cápquang hoá mạng thông tin nội hạt, mạng trung kế liên đài… do những

ưu điểm siêu việt của cáp sợi quang

Thành phần chính của hệ thống truyền dẫn quang là các sợi dẫnquang được chế tạo thành cáp sợi quang Sợi quang với các thông sốcủa nó quyết định các đặc tính truyền dẫn trên tuyến Do đó, đòi hỏiphải xác định chính xác các thông số của nó

Thông thường, thông số của sợi quang đã được xác định do nhàsản xuất Tuy nhiên, khi sử dụng nó, trong thi công, lắp đặt, sửdụng… ta cũng cần đo đạc lại vài thông số cần thiết cho một tuyếncáp sợi quang như : suy hao toàn tuyến, suy hao trung bình, suy haohàn nối, suy hao ghép, khoảng cách của cuộn cáp sử dụng, khoảngcách của toàn tuyến… Trong đó, quan trọng nhất là phải xác địnhmột cách tương đối chính xác của sự cố xảy ra trên tuyến.

Một trong các phương pháp để xác định của thông số trên đangđược sử dụng rộng rãi là sử dụng thiết bị OTDR để đo Trong bản đồ

án này, nêu ra các phương pháp đo, trong đó giới thiệu các phươngthức đo được bằng OTDR, đồng thời cũng nêu ra những yếu tố ảnhhưởng đến sai số của phép đo

Với thời gian có hạn, kiến thức còn hạn hẹp, bản đồ án này còn

có nhiều thiếu sót, rất mong có sự đóng góp của các thầy cô giáo

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo Th.s Lê Văn Hải đã tậntình quan tâm giúp đỡ tôi đẻ hoàn thành được bản đồ án này

CHƯƠNG 1 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ SỢI QUANG

1.1 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN QUANG

1.1.1 Sự phát triển của hệ thống thông tin quang.

Thông tin xuất hiện trong xã hội loài người từ rất sơm, từ xaxưa con người đã biết sử dụng lửa và phản chiếu ánh sáng để báohiệu cho nhau và đây có thể coi là một hình thức thông tin bằng ánhsáng sơm nhất Sau đó, các hình thức thông tin phong phú dần vàngày càng được phát triển thành những hệ thống thông tin hiện đạinhư ngày nay Ở trình độ phát triển cao về thông tin như hiện nay,các hệ thống thông tin quang được coi là các hệ thống thông tin tiêntiến bậc nhất, nó đã được triển khai nhanh trên mạng lưới viễn thôngcác nước trên thế giới với đủ mọi cấu hình linh hoạt, ở các tốc độ và

cự ly truyền dẫn phong phú, đảm bảo chất lượng dịch vụ viễn thôngtốt nhất Ở nước ta ta, các hệ thống thong tin quang đã được pháttriển rộng khắp cả nước trong những năm gần đây, và đang đóng vaitrò chủ đạo trong mạng truyền dẫn hiện tại

Để có được vị trí như ngày nay, các hệ thống thông tin quang

đã trải qua sự phát triển nhanh chóng đáng ghi nhớ của nó Vào năm

1960, việc phát minh ra laser để làm nguồn phát quang đã mở ra mộtthời kỳ mới có ý nghĩa rất to lớn trong líchử của kỹ thuật thông tin sửdụng dải tần số ánh sáng Vào thời điểm đó, hàng loạt các thựcnghiệm về thông tin trên bầu khí quyển được tiến hành ngay sau đó.Tuy nhiên, chi phí cho các công việc này quá tốn kém, kinh phí choviệc sản xuất các thành phần thiết bị để vượt qua được các cản trở dođiều kiện thời tiết tự nhiên đã gây ra là con số khổng lồ Chính vì vậychưa thu hút được sự chú ý của mạng lưới

Bên cạnh đó, một hướng nghiên cứu khác đã tạo được hệ thốngtruyền tin đáng tin cậy hơn thông tin qua khí quyển là sự phát minh

ra sợi dẫn quang Các sợi dẫn quang lần đầu tiên được chế tạo mặc dù

có suy hao rất lớn (tới khoảng 1000dB/km) đã tạo ra được một môhình hệ thống có xu hướng linh hoạt hơn Năm 1966 Kao và một sốnàh khoa học khác đã tìm ra bản chất suy hao của sợi dẫn quang.Những nhận định này đã được sáng tỏ khi Kapron, Keck và Maurerchế tạo thành công sợi thuỷ tinh có suy hao 20 dB/km vào năm 1970.Suy hao này nhỏ hơn nhiều so với thời điểm đầu chế tạo sợi và chophép tạo ra cự ly truyền dẫn tương đương với các hệ thống truyềndẫn bằng cáp đồng Với sự cố gắng không ngừng của các nhà nghiêncứu, các sợi dẫn quang có suy hao nhỏ hơn lần lượt ra đời Cho tớiđầu những năm 1980, các hệ thống thông tin trên sợi dẫn quang đãđược phổ biến khá rộng với vùng bước sóng làm việc 1300mm Chotới nay, sợi dẫn quang đã đạt tới mức suy hao rất nhỏ tới < 0,2 dB/kmtại bươcsongs 1550nm đã cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của côngnghệ sợi quang trong những năm qua Cùng với công nghệ chế tạocác nguồn phát triểnát và thu quang, sợi dẫn quang đã tạo ra các hệthống thông tin quang với nhiều ưu điểm trội hơn hẳn so với các hệthống thông tinâcps kim loại là :

-Suy hao truyền dẫn rất nhỏ

-Bằng tần truyền dẫn lớn

-Không bị ảnh hưởng của nhiếu điện từ

-Có tính bảo mật tín hiệu thông tin

-Có kích thước và trọng lượng nhỏ

-Sợi có tính cách điện tốt

-Tin cậy và linh hoạt.

-Sợi được chế tạo từ vật liệu rất sẵn có

Do các ưu điểm trên mà các hệ thống thông tin quang được ápdụng rộng rãi trên mạng lưới Chúng có thể được xây dựng làm cáctuyến đường trục, trung kế, liên tỉnh, thuê bao kéo dài cho tới cà việctruy nhập vào mạng thuê bao linh hoạt và đáp ứng được mọi môitrường lắp đặt từ trong nhà, trong các cấu hình thiết bị cho tới xuyênlục địa, vượt đại dương v.v… Các hệ thống thông tin quang cũng rấtphù hợp với các hệ thống truyền dẫn số không loại trừ tín hiệu dướidạng ghép kênh nào, các tiêu chuẩn Bắc Mỹ, châu Âu hay Nhật Bản

Hiện nay, các hệ thống thông tin quang đã được áp dụng rộngrãi trên thế giới, chúng đáp ứng cả tín hiệu tương tự (analog) và số(digital), chúng cho phép truyền dẫn tất cả các tín hiệu dịch vụ bănghẹp và băng rộng, đáp ứng đầy đủ mọi yêu cầu của mạng số hoá liênkết đa dịch vụ (ISDN) Số lượng cáp quang hiện nay được lắp đặttrên thế giới với số lượng rất lớn, ở đủ mọi tốc độ truyền dẫn với các

cự ly khác nhau, các cấu trúc mạng đa dạng Nhiều nước lấy cápquang là môi trường truyền dẫn chính trong mạng lưới viễn thông của

họ Các hệ thống thông tin quang sẽ là mũi đôtj phá về tốc độ, cự lytruyền dẫn và cấu hình linh hoạt cho các dịch vụ viễn thông cấp cao

1.1.2 Cấu trúc và các thành phần chính trong tuyến truyền dẫn quang.

Cho tới nay, các hệ thống thông tin quang đã trải qua nhiềunăm khai thác trên mạng lưới dưới cấu trúc truyền khác nhau Nhìnchung, các hệ thống thông tin quang thường phù hợp hơn cho việctruyền dẫn tín hiệu số và hầu hết các quá trình phát triển của hệ thống

như vậy, ta có thế xem xét cấu trúc của tuyến thông tin quang bao

gồm các thành phần chính như hình 1.1 dưới đây :

Hình 1.1 Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi

quang

Các thành phần chính của tuyến gồm có phần phát quang, cáp

sợi quang và phần thu quang Phần phát quang được cấu tạo gồm có

nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện điều khiển liên kết với

nhau Cáp sợi quang gồm có các sợi dẫn quang và các lớp vỏ bọc

xung quanh để bảo vệ khỏi tác động có hại từ môi trường bên ngoài

Phần thu quang do bộ tách sóng quang và các mạch khuếch đại, tái

tạo tín hiệu hợp thành Ngoài các thành phần chủ yếu này, tuyến

thông tin quang còn có các bộ ghép nối quang (Connector) Các mối

hàn, các bộ ghép nối quang, chia quang vấcc trạm lặp, tất cả tạo nên

một tuyến thông tin quang hoàn chỉnh

Tương tự như cápđồng, cáp sợi quang được khai thác với

những điều kiện lắp đặt khác nhau Chúng có thể được trao ngoài

trời, chôn trực tiếp dưới đất, kéo trong cổng, đặt dưới biển Tuỳ

thuộc vào các điều kiện lắp đặt khác nhau mà độ dài chế tạo của cáp

cũng khác nhau, có thể dài từ vài trăm mét tới vài kilomet Tuy nhiên

đôi khi thi công, các kích cỡ của cáp cũng phụ thuộc vào từng điều

kiện cụ thể, chẳng hạn như cáp đượ kéo trong cống sẽ không thể cho

phép dài được, cáp có độ dài khá lớn thường được dùng cho treo hoặc

Bộ thu quang

Mạchđiềukhiển

Nguồnphátquang

Bộ phát quang

Sợiquang

chôn trực tiếp Các mối hàn sẽ kết nối các độ dài cáp thành độ dàitổng cộng của tuyến được lắp đặt.

Sợi quang có cấu trúc rất mảnh Nó được cấu tạo chủ yếu bằngvật liệu thuỷ tinh Dạng của sợi quang là hình ống trụ gồm hai lớpthuỷ tinh lồng vào nhau và có độ đồng tâm cao Đường kính của lõidẫn ánh sáng vào khoảng 50m đối với sợi đơn mode Đường kínhngoài của lớp vỏ phản xạ thông thường vào khoảng 125m cho cả 2loại sợi Có ba loại sợi quang là sợi đa mode chỉ số chiết suất phânbậc, sợi đa mode chỉ số chiết suất gradien, và sợi quang đơn mode.Tham số quan trọng nhất của cáp sợi quang tham gia quyết định độdài của tuyến là suy hao sợi quang theo bước sóng Đặc tuyến suyhao của sợi quang theo bước sóng tồn tại ba vùng mà tại đó có suyhao thấp là các vùng bước sóng 850nm, 1300nm, 1550nm Ba vùngbước sóng này được sử dụng cho các hệ thống thông tin quang và gọi

là các vùng cửa sổ thứ nhất, cửa sổ thứ hai và cửa sổ thứ ba tươngứng

Thiết bị phát quang có nhiệm vụ phát ánh sáng mang tín hiệuvào đường truyền sợi quang Cấu trúc thiết bị phát quang gồm cónguồn phát quang, mạch điều khiển điện, và mạch tiếp nhận tín hiệuđầu vào Nguồn phát quang ở thiết bị phát có thể sử dụng đioe phátquang (LED) hoặc Laser bán dẫn (LD) Tín hiệu ở đầu vào thiết bịphát ở dạng số hoặc đôi khi códạng tương tự sẽ được tiếp nhận đểđưa vào phần điều khiển Mạch điều khiển thực hiện biến đổi tín hiệuđiện dưới dạng điện áp thành xung dòng Cuốicùng nguồn phát sẽthực hiện biến đổi tín hiệu điện này thành tín hiệu quang tương ứng

và phát vào sợi quang Hình 1.2 là sơ đồ khối của thiết bị phát quang

Hình 1.3 Sơ đồ thiết bị phát quang

Tín hiệu ánh sáng đã được điều chế tại nguồn phát quang sẽ lan

truyền dọc theo sợi dẫn quang để tới phần thu quang khi truyền trên

sợi dẫn quang, tín hiệu ánh sáng thường bị suy hao và méo do các

yếu tố hấp thụ, tán xạ, tán sắc gây nên Bộ tách sóng quang ở phần

thu thực hiện trực tiếp nhận ánh sáng và tách lấy tín hiệu từ hướng

phát tới Tín hiệu quang được biến đổi trực tiếp trở lại thành tín hiệu

điện Các photodiôt PIN và photodiode thác APD đều có thểư dụng

làm các bộ tách sóng quang trong các hệ thống thông tin quang, cả

hai loại này đều có hiệu suất làm việc cao và có tốc độ chuyển đổi

nhanh Các vật liệu bán dẫn chế tạo nênghiên cứuác bộ tách sóng

quang sẽ quyết định bước sóng làm việc của chúng và đuôi sợi quang

đầu vào của các bộ tách sóng quang cũng phải phù hợp với sợi dẫn

quang được sử dụng trên tuyến lắp đặt Yếu tố quan trọng nhất phản

ánh hiệu suất làm việc của thiết bị thu quang là độ nhạy thu quang,

nó mô tả công suất quang nhỏ nhất có thể thu được ở một tốc độ

truyền dẫn số nào đó ứng với tỷ lệ lỗi bit của hệ thống; điều này tưng

tự như tỷ số tín hiệu trên tạp âm ở các hệ thống truyền dẫn tương tự

Sau khi tín hiệu quang được tách tại bộ tách sóng quang, tín hiệu

điện thu được tại đầu ra photodiode sẽ được khuếch đại và khôi phục

trởvề dạng tín hiệu như ở đầu vào thiết bị phát Như vậy sơ đồ của

thiết bị thu quang sẽ có thể được mô tả như hình 1.4 sau :

Sợi

Hình 1.4 Sơ đồ thiết bị thu quang sô.

1.1.3 Những ưu điểm và ứng dụng của thông tin sợi quang.

So với dây kim loại, sợi quang có nhiều ưu điểm đáng chú ý

là :

-Suy hao thấp : Cho phép kéo dài khoảng cách tiếp vận và do

đó giảm được số trạm tiếp vận

-Dải thôgn tin rất rộng : có thể thiết lập hệ thống truyền dẫn tốc

-Vật liệu chế tạo có rất nhiều trong thiên nhiên

Nói chung, dùng hệ thống thông tin sợi quang kinhtế hơn so vớisợi kim loại với cùng dung lượng và cự ly

Sợi quang được ứng dụng trong thông tin và một số mục đíchkhác Vị trí của sợi quang trong mạng lưới thông tin trong giai đoạnhiện nay bao gồm :

-Mạng đường trục Quốc gia

-Đường trung kế

-Đường cáp thả biển liên quốc gia

-Đường truyền số liệu.

-Mạng truyền hình

Và sắp tới, mạng viễn thông Việt Nam sẽ đưa vào sử dụng.-Thuê bao cáp sợi quang

-Mạng số đa dịch vụ ISDN

1.2 LÝ THUYẾT VỀ SỢI QUANG

1.2.1 Nguyên lý truyền anhsangs trong sợi quang.

1.2.1.1 Chiết suất của môi trường.

Chiết suất của môi trường được xác định bởi tỷ số của vận tốcánh sáng truyền trong chân không và vận tốc ánh sáng truyền trongmôi trường ấy

V

C

n 

n : Chiết suất của môi trường, không có đơn vị

C : Vận tốc ánh sáng trong chân không, đơn vị m/s

V : vận tốc ánh sáng trong môi trường, đơn vị m/s

và chiết suốt môi trường cũng được đánh giá theo chiết suất nhóm :

nnh.



d

dn n

n nh  

1.2.1.2 Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng.

Khi tia sáng truyền trong môi trường 1 đến mặt ngăn cách vớimôi trường 2 thì tia sáng tách thành 2 tia mới : một tia phản xạ lạimôi trường 1 và một tia khúc xạ sang môi trường 2 Tia phản xạ vàtia khúc xạ quan hệ với tia tới như sau :

-Càng nằm trong mặt phẳng tới (mặt phẳng chứa tia tới và pháptuyến của mặt ngăn cách tại điểm tới)

Từ công thức Senll đã nêu trên ta thấy :

-Nếu n1 < n2 thì 1 > 2 : Tia khúc xạ gãy về phía gần pháptuyến

-Nếu n1 > n2 thì 1 < 2 : Tia khúc xạ gãy về phía gần pháptuyến hơn.

Trường hợp n1 > n2, nếu tăng 1 thì 2 cũng tăng và 2 luôn lớnhơn 1 Khi 2 = 900, tức tia khúc xạ song song với mặt tiếp giáp, thì

1 được gọi là góc tới hạn : th ; nếu tiếp tục tăng 1 > th thì khôngcòn tia khúc xạ mà chỉ có tia phản xạ (hình 1.6) Hiện tượng nàyđược gọi là sự phản xạ toàn phần

900 có thể tích được góc tới hạn th

1

2 1

2

n

n arcSin hay

n

n Sinth  th 

Hình 1.6 Sự phản xạ toàn phần

1.2.2 Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang.

1.2.2.1 Nguyên lý truyền dẫn chung.

Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế

phản xạ(Clalding) cũng bằng thuỷ tinh có chiết suất n2 với n1 > n2(hình 1.7), ánh sáng truyền trong lõi sợi quang sẽ phản xạ đi phản xạlại nhiều lần (phản xạ toàn phần) trên mặt tiếp giáp giữa lõi và lớp vỏ

phản xạ Do đó ánh sáng có thể truyền được trong sợi có cự ly dàingay cả khi sợi bị uốn cong nhưng với một độ cong có giới hạn.

Hình 1.7 Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

1.2.2.2 Khẩu độ số NA.

Sự phản xạ toàn phần chỉ xảy ra đối với những tia sáng có góc

này được gọi là khẩu độ số, ký hiệu NA :

NA = Sin th

Hình 1.8 Đường truyền của tia sáng với góc tới khác nhau

Áp dụng công thức Snell tính NA :

Tại điểmA đối với tia 2 :

nosinmax = n1sin(900 - th)

sin (900 - th ) = costh )

1

2 2

1

2 2 2

n

2 2 1

2 2

2 1

n n n

Độ lệch chiết suất tương đối  có giá trị khoảng từ 0,002 đến0,013 (tức là từ 0,2% đến 1,3%)

1.2.3 Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang.

Cấu trúc chung của sợi quang gồm một lõi bằng thuỷ tinh cóchiết suất lớn và một lớp vỏ bọc cũng bằng thuỷ tinh nhưng có chiếtsuất nhỏ hơn Chiết suất của lớp bọc không thay đổi, còn chiết suấtcủa lõi nói chung thay đổi theo bán kính (khoảng cách tính từ trụccủa sơi ra) Sự biến thiến chiết suất theo bán kính được viết dướidạng tổng quát như sau, và đường biểu diễn như trên hình 1.9

1 [ 1 [ ] ]

n

a

r n

n

n

n 



r : Khoảng cách tính từ trục sợi đến điểm tính chiếtsuất

a : bán kính lõi sợi

b : bán kính lớp bọc

g : số mũ quyết định dạng biến thiến , g  1.

Các giá trị thông dụng của g :

g = 1 : dạng tam giác

g = 2 : dạng parabol

g  : dạng nhảy bậc

Hình 1.9 Các dạng phân bố chiết suất

1.2.3.1 Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (sợi SI).

Đây là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi

và lớp bọc khác nhau một cách rõ rệt như hình bậc thang Các tia từnguồn quang phóng vào đầu sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theonhững đường khác nhau như hình 1.10

Hình 1.10 : truyền ánh sáng trong sợi có chiết suất bậc (CI)

Các tia sáng truyền trong lõi sợi cùng với vận tốc mà chiều dàiđường truyền khác nhau nên thời gian truyền sẽ khác nhau trêncùngmột chiều dài sợi Điều này dẫn đến một hiện tượng Khi đưa mộtxung ánh sáng vào một đầu sợi lại nhận được một xung ánh sáng rộnghơn ở cuối sợi, là hiện tượng tán sắc.

Do có độ tán sắc lớn nên sợi SI không thể truyền tín hiệu số cótốc độ cao qua cự ly dài được Nhược điểm này có thể khắc phụcđược trong loại sợi có chiết suất giảm dần

1.2.3.2 Sợi quang có chiết suất giảm dần (sợi GI).

Sợi GI có dạng phân bố chiết suất lõi hình Parabol

a r a

r n

n r

;

; ] ) ( 1 [

1

2 1 2 1

)

(

Vì chiết suóât thay đổi một cách liên tục nên tia sáng truyềntrong lõi bị uốn cong dần như hình 1.11 sau :

Hình 1.11 Truyền ánh sáng trong sợi GI

Đường truyền của các tia sáng trong sợi GI cũng không bằngnhau nhưng vận tốc truyền cũng thay đổi theo Các tia truyền xa trục

có đường truyền dài hơn nhưng có vận tốc truyền lớn hơn và ngượclại, các tia truyền gần trục có đường truyền ngắn hơn nhưng vận tốctruyền lại nhỏ hơn Tia truyền dọc theo trục có đường truyền ngắn

nhất Nhưng đi với vận tốc nhỏ nhất vì chiết suất ở trục là lớn nhất.Nếu chế tạo chính xác, sự phân bố chiết suất theo đường parabol (g =2) thì đường đi của các tia sáng có dạng hình sin và thời gian truyềncủa các tia này bằng nhau Độ tán sắc của sợi GI nhỏ hơn nhiều sovới sợi SI Ví dụ : độ chênh lệch thời gian truyền 1 km chỉ khoảng0,1ns.

Cần lưu ý rằng góc mở  ở đầu sợi GI cũng thay đổi theo bánkính r vì n1 là hàm n1(r)

NA a

r NA n

r n Sin(r)  1( )  22  1  ( )2 

Trên trục sợi : r = 0 thì (O) = max

Trên mặt giao tiếp r = a thì (a) = 0

1.2.3.3 Các dạng chiết suất khác

Hai dạng chiết suất SI và GI được dùng phổ biến Ngoài ra cònmột số dạng chiết suất khác nằhm đáp ứng nhu cầu đặc biệt như :

*Dạng giảm chiết suất lớp bọc : (Hình 1.12.a)

Trong kỹ thuật chế tạo sợi quang, muốn thuỷ tinh có chiết suấtlớn phải tiêm nhiều tạp chất vào, điều này tang suy hao Dạng giảmchiết suất lỡp bọc nhằm đảm bảo độ lệch chiết suất  nhưng có chiếtsuất lõi n1 không cao

*Dạng dịch độ tán sắc : (Hình 1.12b)

Như đã biết, độ tán sắc tổng cộng của sợi quang sẽ triệt tiêu ởbước sóng gần 1300 nm Người ta có thể dịch điểm có độ tán sắc triệttiêu đến bước sóng 1550nm bằng cách dùng sợi quang có dạng chiếtsuất như hình 1.12b

*Dạng san bằng tán sắc.

Với mục đích làm giảm độ tán sắc của sợi quang trong mộtkhoảng bước sóng Chẳng hạn đáp ứng cho kỹ thuật ghép kênh, nhưhình 1.12.c Dạng chiết suất này khá phức tạp nên hiện nay chỉ mới

áp dụng trong thí nghiệm chứ chưa đưa ra thực tế

Hình 1.12 : Các dạng chiết suất đặc biệt

1.2.4 Sợi đa mode và đơn mode :

Có hai hướng để khảo sát sự truyền ánh sáng trong sợi quang :một hướng dùng lý thuyết tia sáng và một hướng dùng lý thuyết sóngánh sáng Thường thường lý thuyết tia sáng được áp dụng vì nó đơngiản, dễ hình dung Song cũng có những khái niệm không thể dùng lýthuyết tia để diễn tả một cách chính xác, người ta phải dùng đến lýthuyết sóng Mode là một trong những khái niệm đó

Sóng ánh sáng cũng là một sóng điện từ có thể áp dụng cácphương trình Maxwell với điều kiện biên cụ thể của sợi quang để xácđịnh biểu thức sóng truyền trong nó Dựa trên biểu thức sóng đã xácđịnh có thể phân tích các đặc điểm truyền dẫn của sóng

Trong khuôn khổ có hạn, ta sẽ không trình bày các bước giảiphương trình maxwell mà chỉ nêu lên các thông số rút ra từ kết quả

có liên quan đến đặc tính truyền dẫn của sợi quang

Một Mode sóng là một trạng thái truyền ổn định của ánh sángtrong sợi Khi truyền trong sợi ánh sáng đi theo nhiều đường, trạngthái ổn định của các đường này được gọi là những mode Có thể hìnhdung gần đúng một mode ứng với một tia sáng Các mode được kýhiệu LPV với v = 0, 1, 2, 3, và  = 1, 2, 3, Mode thấp nhất là

LP01

Số mode truyền được trong sợi phụ thuộc các thông số của sợi,trong đó có thừa số V

NA a k NA a

N

Trong đó : V : là thừa số v

g : là số mũ trong hàm chiết suất

Số mode truyền được trong sợi chiết suất nhảy bậc (SI) với g

2 , 0 25 1

Số mode truyền trong sơi này là :

247 4

4 , 31 4

2 2

1.2.4.1 Sợi đa mode (mm : multi - mode).

Sợi đa mode có đường kính lõi và khẩu độ số lớn nên thừa số V

và số mode N cũng lớn Các thông số của loại sợi đa mode thôngdụng (50/125 m) là :

-Chiết suất lớn nhất của lõi n1 = 1,46

Nếu làm việc ở bước sóng  = 0,85 m thì :

38 2

.

2

2



V

N

Sợi đa mode có thể có chiết suất suốt nhảy bậc hoặc chiết suấtgiảm dần (Hình 1.13).

Hình 1.13 : Kích thước sợi đa mode theo tiêu chuẩn CCITT(50/125m)

1.2.4.2 Sợi đơn mode (S) : single mode).

Khi giảm kích thước lõi sợi để chỉ có một mode sóng cơ bản

Vì chỉ có một mode sóng truyền truyền trong sợi nên độ tán sắc

do nhiều đường truyền bằng không và sợi đơn mode có dạng phân bốchiết suất nhảy bậc (Hình 1.14)

Các thông số của sợi đơn mode thông dụng là :

Hình 1.14 Kích thước sợi đơn Mode

Các thông số truyền dẫn của sợi đa mode và đơn mode sẽ đượcphân tích ở phần sau, ở đây chỉ so sánh những nét nổi bật của hai loạisợi này

Độ tán sắc của sợi đơn mode nhỏ hơn nhiều so với sợi đa mode(kể cả loại sợi GI), đặc biệt ở bước sóng  = 1300 nm độ tán sắc củasợi đơn mode rất thấp ( ~ 0); Do đó dải thông của sợi đơn mode rấtrộng Song vì kích thước của các linh kiện quang cũng phải tươngứng và có thiết bị hàn cầu ngày nay đều có thể đáp ứng và do đó sợiđơn mode được dùng phổ biến

CHƯƠNG 2 : SUY HAO VÀ TÁN SẮC XẠ TRONG SỢI QUANG

2.1 SUY HAO TRONG SỢI QUANG

2.1.1 Định nghĩa :

Công suất quang truyền trên sợi sẽ bị giảm dân theo cự lý vớiquy luật hàm số mũ tương tự như tín hiệu điện Biểu thức tổng quátcủa hàm số truyền công suất có dang :

10 , ) 0 ( )

Trong đó : P(()) : là công suất ở đầu sợi (L = 0)

P(L) : là công suất ở cự ly L (km) tính từ đầu sợi

 : là hệ số suy hao

Hình 2.1 Công suất truyền trên sợi quang

-Độ suy hao được tính bởi :

2

1 lg 10 )

(

P

P dB

P2 = P(L) : là công suất ra ở cuối sợi

-Hệ số suy hao trung bình

) (

) ( ) / (

km L

dB A km



Trong đó : A : là suy hao của sợi

L : là chiều dài sợi

Về nguyên lý đây không phải là giá trị tuyệt đối (đại lượng )

mà là quan hệ công suất hoặc mức, do đó phép đo đơn giản hơn

2.1.2 Đặc tuyến suy hao.

Đặc tuyến suy hao của sợi quang khác nhau tuỳ theo chủng loạisợi nhưng tất cả đều thể hiện được các đặc tính suy hao chung Mộtđặc tuyến điển hình của loại sợi đơn mode như hình 2.2 sau :

Hình 2.2 Đặc tuyến suy hao của sợi đơn mode

Trên đặc tuyến suy hao của sợi quang có 3 vùng bước sóng cósuy hao thấp, còn gọi là 3 cửa sổ suy hao

-Cửa số thứ nhất có bước sóng 850nm: Được xem là bước sóng

có suy hao thấp nhất đối với những sợi quang được chế tạo trong giaiđoạn đầu Suy hao trung bình ở bước sóng này từ 2 - 3 dB/km Ngàynay bước sóng này ít được dùng vì suy hao ở đó chưa phải là thấpnhất

-Cửa số thứ hai có bước sóng 1300nm : suy hao ở bước sóngnày tương đối thấp khoảng 0,4 - 0,5 dB/km Đặc biệt, ở bước sóngnày có độ tán sắc rất thấp nên đang được sử dụng rộng rãi hiện nay

-Cửa số thứ ba có bước sóng 1550nm : cho đến nay suy hao ởbước sóng này là thấp nhất, có thể dưới 0,2 dB/km Trong những sợiquang bình thường, độ tán sắc ở bước sóng 1550nm lớn hơn so với ởbước sóng 1300 Nhưng với loại sợi có dạng phân bố chiết suất đặc

biệt, có thể giảm độ tán sắc ở bước sóng 1550 nm Lúc đó sử dụngcửa sổ thứ ba sẽ có được cả hai điểm : suy hao thấp và tán sắc nhỏ.Bước sóng 1550 nm sẽ được sử dụng rộng rãi trong tương lại, nhất làcác tuyến cáp quang thả biển.

2.1.3 Các loại suy hao trong sợi quang.

2.1.3.1 Suy ao do hấp thụ :

*Do tự hấp thụ (hấp thụ bằng cực tím và hồng ngoại) :

Do có cấu tạo vỏ điện tử bao và do mối liên quan giữa nănglượng và tần số bức xạ quang, nên các nguyên tử của vật liệu sợiquang cũng phản ứng với ánh sáng theo đặc tính chọn lọc bước sóng

Như thế, vật liệu cơ bản chế tạo sợi quang sẽ cho ánh sáng qua

tự do trong một dải bước sóng xác định với suy hao rất nhỏ, hoặc hầunhư không suy hao Còn ở các bước sóng khác sẽ có hiện tượng cộnghưởng quang, quang năng bị hấp thụ và chuyển hoá thành nhiệt năng

Thuỷ tinh silica (SiO2) hiện nay được sử dụng để chế tạo sịquang có các đỉnh cộng hưởng nằm trong vùng viễn hồng ngoại10m đến 20 m, khá xa vùng bước sóng sử dụng hiện nay cho thôngtin quang là từ 0,8m đến 1,6m hoặc trong vùng lân cận

Tuy vậy, hiện tượng cộng hưởng hấp thụ hồng ngoại cũng cònảnh hưởng suy hao ở các bước sóng gần phía trên bước sóng 1,6 m.Người ta thấy rằng từ bước sóng 1,6m trở lên thì suy hao tăng rấtnhanh theo bước sóng

Như vậy, bản thân thuỷ tinh tinh khiết cũng hấp thụ ánh sángtrong vùng cực tím và vùng hồng ngoại Độ hấp thụ thay đổi theo

ngại cho khuynh hứng sử dụng các bước sóng dài trong thôn tinquang.

Hình 2.3 Suy hao do hấp thụ vùng cực tím và hồng ngoại

*Do tạp chất kim loại :

Trong thực tế , vật liệu chế tạo không hoàn toàn tinh khiết mà

có lẫn các ion kin loại như : Fe, Cu, Cr, Mn, Ni, Co Các tạp chấtnày là một trong những nguồn hấp thụ năng lượng ánh sáng Hiệnnay, các hệ thống truyền dẫn quang chủ yếu làm việc ở bước sóng1,3m và 1,55m nhưng suy hao ở các bước sóng này lại rất nhạycảm với sự không tinh khiết này của vật liệu

Muốn đạt được sợi quang có độ suy hao dưới 1dB/km cần phải

có thuỷ tinh thật tinh khiết với nông độ tạp chất khong qua một phần

kim loại và suy hao do các ion kim loại không còn vai trò đáng kểnào nữa

*Do hấp thụ của ion OH :

khi chế tạo cũng tạo ra một độ suy hao hấp thụ đáng kể Độ hấp thụ

dùng trong thông tin quang từ 8500nm đến 1600nm Ngoài ra, độhấp thụ tăng vọt ở các bước sóng 950nm, 1250nm và 1383 nm

Như vậy, độ ẩm là một trong những nguyên nhân gây suy haocủa sợi quang Trong quá trình chế tạo, nồng độ của các ion OH

thụ của nó và ở các sợi có chất lượng cao chỉ còn đỉnh tiêu hao ởbước sóng 1250nm và 1383nm

Một đặc điểm quan trọng của tán xạ Rayleigh là tỷ lệ nghịch

trước sóng dài như hình 2.4

Ở bước sóng 850nm, suy hao do tán xạ Rayleigh của sợi Silica

khoảng 1 - 2 dB/km và ở bước sóng 1300 nm suy hao chỉ khoảng 0,3

dB/km Ở bước sóng 1550nm suy hao còn thấp hơn nữa.

*Tán xạ do mặt phân cách giữa lõi và lớp vỏ không hoàn hảo.Khi tia sáng truyền đến những chố không hoàn hảo giưa lõi vàlớp bọc tia sáng sẽ bị tán xạ Lúc đó, một tia tới sẽ có nhiều tia phản

xạ với các góc phản xạ khác nhau Những tia có góc phản xạ nhỏ hơngóc tới hạn sẽ khúc xạ ra lớp bọc và bị suy hao dần

2.1.3.3 Suy hao do bị uốn cong :

Suy hao bức xạ xuất hiện bất cứ khi nào khi sợi quang bị uốncong với một bán kính cong xác định Có hai loại uốn cong, uốn congvới bán kính lớn so với đường kính sợi khi cáp quang được uốn theogóc và uốn cong khi sợi đực bện lại thành cáp

* Vì uốn cong (Micro bending) : khi sợi quang bị chèn ép tạonên những chỗ uốn cong nhỏ (biên độ uốn cong chừng vài mm) thì

suy hao của sợi cũng tăng lên Sự suy hao này xuất hiện do tia sáng

bị lệch trục khi đi qua những chỗ bị uốn cong đó Một cách chính xáchơn sự phân bố trường bị xáo trộn khi đi qua những chỗ bị uốn cong

và dẫn tới một phần năng lượng ánh sáng phát xạ ra khỏi lõi sợi, đitrong lớp bọc và suy giảm dần theo hàm số mũ Độ lớn suy hao phụthuộc vào độ dài đoạn ghép Đặc biệt, sợi đơn mode rất nhạy vớinhững chỗ vi uốn cong, nhất là về bước sóng dài

*Uốn cong (Macro bendding)

Khi sợi bị uốn cong với bán kính uốn cong càng nhỏ thì suyhao càng tăng (như hình 2.5) Dĩ nhiên, không thể tránh được việcuốn cong sợi quang trong quá trình chế tạo và lắp đặt Nhưng nếu giữcho bán kính uốn cong lớn hơn một bán kính tối thiểu cho phép thìsuy hao uốn cong không đáng kể Người ta quy định bán kính uốncong tối thiểu R là :

2

3 2 2

2 1

2 1

) (

4

3

n n

n R

10 20 30 40 50 60 R(mm)Hình 2.5 Suy hao do uốn cong thay đổi theo bán kính R.

Độ suy hao do uốn cong có thể được tính theo công thức

) ( 2

2 log

2.1.3.4 Suy hao do hàn nối :

Khoảng cách giẵ hai trạm thông tin quang thương dài hơn chiềudài một cuộn cáp và nhất thiết phải nối các sợi quang của hai cuộncáp với nhau Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ suy hao của mốihàn, có thể xếp thành ba loại chính là : chất lượng mặt cứt ở đầu sợiquang : vị trí tương đối giữa hai đầu sợi quang; thông số của hai sợi

Suy hao của mối hàn trước tiên phụ thuộc vào công việc chuẩn

bị nối, thông qua chất lựơng của mặt cắt sợi quang Các yêu cấu đốivới mặt cắt là :

*Mặt cắt phẳng, không mẻ, không lồi ở mép

*Măt cắt không được dính bụi, các chất bẩn

*Mặt cắt phải vuông góc với trục của sợi

Suy hao mối hàn phụ thuộc vào vị trí tương đối giữa hai đầusợi, còn gọi là các yếu tố ngoài, bao gồm :

-Lệch trục : trục của hai sợi không song song nhau

-Lệch tâm : tâm của hai mặt cắt đầu sợi không trùng nhau.

-Khe hở : đầu hai sợi không sít nhau

Nếu hai sợi được chuẩn bị cẩn thận, điều chỉnh chính xácnhưng có thông số khác nhau thì suy hao hàn nối vẫn cao Do khácbiệt các thông số sau sẽ gây suy hao lớn cho mối hàn

-Đường kính sợi

-Độ méo elíp

-Khẩu độ : Số (NA) hay góc mở đầu sợi

NA = Sin max = n1 2 

2.2 TÁN XẠ TRONG SỢI QUANG

2.1 Hiện tượng, nguyên nhân và ảnh hưởng của tán xạ.

Khi truyền dẫn các tín hiệu digital qua sợi quang, sẽ xuất hiệnhiện tượng dãn rộng các xung ánh sáng ở đầu thu, thậm chí trong một

số trường hợp, các xung lân cận đè lên nhau, và khi đó ta không phânbiệt được các xung với nhau nữa, gây méo tín hiệu khi tái sinh Hiệntượng dãn xung dãn xung được gọi là hiện tượng tán xạ

Nguyên nhân chính của hiện tượng tán xạ là do ảnh hưởng củasợi quang mà tồn tại các thời gian chạy khác nhau cho các ánh sángphát đi đồng thời

Tán xạ ảnh hưởng rất quan trọng đến chất lượng truyền dẫn, cụthể như sau :

*Khi truyền tín hiệu digital, trong miền thời gian nó gây ra dãnrộng các xung ánh sáng

*Khi truyền tín hiệu analog thì ở đầu thu biên độ tín hiệu bịgiảm nhỏ (tới giá trị AE trên hình 2.6b) và có hiện tượng dịch pha.

Độ rộng băng truyền dẫn của sợi do đó bị giới hạn

Ở đây xem xét trường hợp điển hình khi truyền dẫn tín hiệu

có độ rộng E có dạng theo auy luật phân bố Gauss (xung hìnhchuông) Độ rộng xung tính ở mức biên độ bằng một nửa biên độ lớnnhất (hình 2.6) là

Khi thu về xung bị dãn rộng do tán xạ với độ dãn rộng (thờigian)là có  được tính theo công thức :

2 2

Độ dãn xung  theo công thức trên thể hiện mức độ tán xạ tínhiệu do sợi quang gây ra, và nó có ảnh hưởng đến độ rộng băngtruyền dẫn và tốc độ truyền dẫn bít.

Trường hơph công suất ánh sáng thay đổi theo quy luật hìnhsin, sợi quang được coi gần đúng như bộ lọc thấp với hàm truyền đạtGauss Hàm truyền đạt biên độ là :

2

2 5 , 3

~

~ )

(

) 0 (

)

f P

f P





Đồ thị hàm truyền đạt biên độ được miêu tả ở hình vẽ sau : 1

0

Hình 2.7 : Hàm truyền đạt biên độ của sợi quang

Xác xung ánh sáng có phân bố Gauss truyền đưa qua sợi quangthì biên độ giảm theo quy luật

2 2

36 , 0 max 





Xét đặc tính truyền dẫn của sợi nhờ hình vẽ 2.7

Khi biên độ của hàmn H(f) giảm còn một nửa biên dộ lớn nhất(tương ứng giảm 3 dB), người ta nhận được tần số fB (ở mức 3dB) và

định nghãi độ rộng bằng truyền dẫn B = fB) (Từ f = 0 đến f = fB) Thay giá trị H(f) = 0,5 vào phương trình (2.2) nhận được b :





44 , 0 26 , 2

1





Trong thực tiễn, nếu có nhiều hiện tượng tán xạ cùng tác động

thì có tán xạ tổng cộng thể hiện là tổng :

Nếu tương ứng với 1 , 2 có các giá trị B1, B2 thì độ rộngbăng truyền dẫn của sợi khi có tác động tổng hợp của các hiện tượngtán xạ khác nhau là B và tính theo công thức :

1 1 1

2 2

2 1

2   

b B

Người ta cũng định nghĩa một đại lượng đặc trưng cho dunglượng truyền dẫn của sợi quang là tốc đô bít có thể truyền lớn nhất :C(bit/S)

Do ảnh hưởng của tán xạ, các xung ở đầu vào máy thu bị giãnrộng, nhưng hai xung kề nhau còn đủ phân biệt được khi độ dãn xung

B B

C 1  2 , 26  2

Như vậy độ dãn xung  , độ rộng băng tần truyền dẫn B và tốc

độ bít C có quan hệ ảnh hưởng nhau Để truyền được 2 bit/s theo

được 2 bít/s cần độ rộng băng khoảng 1,6 Hz Do đó trên thực tế cóthể coi rằng tốc độ truyền bít lớn nhất của sợi quang bằng độ rộngbăng tần truyền dẫn

Muốn có sợi có độ rộng băng truyền dẫn và tốc độ bít lớn thìphải giảm nhỏ ảnh hưởng của tán xạ đến mức thấp nhất để có độ dãnxung  bé nhất.

2.2.3 Các loại tán xạ

2.2.3.1 Tán xạ vật liệu :

Vì chiết suất của vật liệu thuỷ tinh chế tạo sợi thay đổi theobước sóng của tín hiệu lan truyền, tức là n = n( ) Nếu nguồn bức xạphát ra sóng ánh sáng với duy nhất một bước sóng o thì không cóhiện tượng lệch về thời gian truyền dẫn giữa các thành phần của xungánh sáng Vì chúng lan truyên theo cùng vận tốc

của diode laser cũng gồm một số vạch phổ nằm giữa hai bước sóngrìa là :

2

2 2

1 



n

C Vph

Vph 

) 2 ( ) 2 ( )

1 ( )

va n

) ( ) ( ) ( ) (

1 1

C n

C Vg





Nếu ng(2) > ng(1) thì ta có Vg(1) > Vg(2), do đó khi truyền

(2) có thời gian truyền nhóm tg1 và tg2 lệch nhau tn :

L D

L C

odn

) (

0 )

((

2 1 max

Với đơn vị đi là PS/km.nm

thời gian lan truyền xung ánh sáng trên một km sợi quang với phổ

những thành phần bước sóng dài hơn trong dải  sẽ truyền nhanhhơn thành những thành phần bước sóng ngắn hơn và ngược lại Chính

sự chênh lệch này sẽgây ra méo xung

Độ dãn xung ánh sáng ở đầu vào máy thu chính là độ lệch thờigian truyền nhóm :

 = | tn| = s   L = t.L

Trong đó ’ là dãn xung khi truyền qua độ dài 1km

Vì độ dãn xung  (tán xạ) gây nên méo truyền dẫn, nên nó vừahạn chế cự ly truyền dẫn vừa hạn chế băng truyền dẫn, nên để đánhgiá năng lực truyền dẫn của các loại sợi quang có tán xạ, người tađưa ra đại lượng đặc trưng là tích số độ rộng băng truyền và cự lytruyền dẫn BL :

' 26 , 2

1

26 , 2

1

Trong đó : , f là bước sóng trung tâm và tần số của ánh sáng;

s, B là độ rộng của nguồn quang và độ rộng của tần số điều chế

Vì vậy, dù trong trường hợp lý tưởng khi mà độ rộng phổ của nguồnquang bằng O, độ rộng tương đương của bước sóng điều chế phảiđược chú ý tới hai trường hợp đặc biệt của tán xạ vật liệu :

*Khi độ rộng phổ nguồn s của nguồn sáng là lớn :

Laser làm việc theo nhiều mode dọc và các loại đio LED khidùng làm nguồn sáng thì sẽ có độ rộng phổ nguồn s lớn Điều nàydẫn đến s/ >> B/f Như vậy s  và do đó trễ nhóm n sẽđược quyết định chủ yếu bởi s Phương trình liên hệ độ rộng băngtần B và (n).

|

| n

A B

d

n d C A

2

2

|

B

Như vậy đối với sợi đơn mode thì băng tần B chỉ giảm tỷ lệ với

d V n C

L g

khoảng 0,1

 0,2

Đối với tán xạ dẫn sóng, ở xung quanh bước sóng 0,85m (cửa

sổ truyền dẫn thứ nhất) ta có vận tốc nhóm tỷ lệ với độ dài bướcsóng, giống như tán xạ vật liệu, do đó hai tán xạ này đều dương(cùng làm dãn rộng xung ánh sáng) Nhưng độ lớn của tán xạ dân

sóng nhỏ hơn một bậc so với tán xạ vật liệu Ở bước sóng nhỏ hơn

một bậc so với tán xạ vật liệu, ở bước sóng 1,25m thì tán xạ dẫnsóng trở lên có độ lớn đáng kể so với tán xạ vật liệu tới bước sóng1,27m chúng sẽ có dấu hiệu khác nhau và sẽ làm suy giảm lẫn nhautới O

Hinh 2.9 Sự phân bố năng lượng ánh sáng ở các bước sóngkhác nhau

2.2.3.3 Tán xạ mode.

Hiện tượng này chỉ xuất hiện ở sợi đa mode Các thành phầnánh sáng lan truyền nhờ các mode riêng rẽ Với thời gian khác nhau,nên có sự chênh lệch thời gian sinh ra méo xung (dãn xung) Dạngxung ở đầu vào máy thu phụ thuộc vào hai yếu tố chính :

*Thành phần công suất từ nguồn phát quang được ghép vào sợiquang

*Sự phân bố các mode truyền dẫn trên sợi quang

Để có thể hiểu hiện tượng một cách tương đối đơn giản, người

ta sử dụng phương pháp tia, coi mỗi mode truyền dẫn được đặc trưngnhờ một tia sáng Sợi quang được coi là lý tưởng, không gây ra hiệntượng trộn các mode với nhau, và coi chiết suất của sợi không phụthuộc vào bước sóng