Đo lường thông tin cáp sợi quang luận án thạc sĩ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐO LƢỜNG THƠNG TIN CÁP SỢI QUANG Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Học viên: ĐÀO THỊ HẰNG Ngƣời HD Khoa học: PGS.TS. LẠI KHẮC LÃI THÁI NGUN – 2012 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUN CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP  Độc lập - Tự do - Hạnh phúc LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên : Đào Thị Hằng Ngày tháng năm sinh : Ngày 05 tháng 08 năm 1980 Nơi sinh : Ninh Bình Nơi cơng tác : Trƣờng Đại Học SPKT Nam Định Cơ sở đào tạo : Trƣờng Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun Chun ngành : Kỹ thuật điện tử Khóa học : K13 - KTĐT TÊN ĐỀ TÀI: ĐO LƢỜNG THƠNG TIN CÁP SỢI QUANG Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS Lại Khắc Lãi Trƣờng Đại học KTCN Thái Ngun Ngày giao đề tài: / / Ngày hồn thành: / / GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN PGS.TS Lại Khắc Lãi HỌC VIÊN Đào Thị Hằng BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC i Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tên tơi là: Đào Thị Hằng Học viên lớp Cao học khố 13- Kỹ thuật điện tử - Trƣờng ĐHKTCN Thái Ngun Xin cam đoan: Đề tài: “Đo lƣờng thơng tin cáp sợi quang” là do tơi thực hiện với sự hƣớng dẫn của PGS.TS. Lại Khắc Lãi. Đây khơng phải là bản sao chép của bất kỳ một cá nhân, tổ chức nào. Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về nội dung mà tơi đã trình bày trong luận văn. Thái Ngun, ngày tháng năm 2012 Học viên Đào Thị Hằng ii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ LỜI CẢM ƠN Trong suốt q trình học tập và làm luận văn tốt nghiệp, em đã nhận đƣợc sự giúp đỡ tận tình của các thầy giáo, cơ giáo trong bộ mơn Điện tử viễn thơng - Khoa Điện tử - Trƣờng Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun. Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy giáo, cơ giáo trong khoa Sau đại học, đặc biệt là thầy giáo PGS.TS. Lại Khắc Lãi đã tận tình giúp đỡ, hƣớng dẫn em trong thời gian thực hiện đề tài này, xin cảm ơn sự giúp đỡ, động viên của gia đình, bạn bè, đồng nghiệp trong suốt thời gian qua. Mặc dù đã cố gắng hết sức bản thân, song do điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế nên khơng thể tránh đƣợc thiếu sót. Vì vậy, em rất mong đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cơ giáo và các bạn đồng nghiệp. Em xin chân thành cảm ơn! Tác giả luận văn Đào Thị Hằng iii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1: CÁC THƠNG SỐ CƠ BẢN CỦA SỢI QUANG 2 1.1. Sự suy hao của sợi quang 2 1.1.1. Định nghĩa 2 1.1.2. Các ngun nhân gây suy hao trên sợi quang 2 1.1.3. Đặc tuyến suy hao sợi quang: 9 1.2. Tán xạ sợi quang 10 1.2.1. Hiện tƣợng, ngun nhân và ảnh hƣởng của tán xạ 10 1.2.2. Mối quan hệ giữa tán xạ với độ rộng băng truyền dẫn và tốc độ truyền dẫn 11 1.2.3 . Các loại tán xạ 13 1.2.4. Ảnh hƣởng của sự trộn mode vào tán xạ mode trong sợi đa mode: 27 1.2.5. Nhận xét: 29 1.3. Đƣờng kính trƣờng mode 30 1.3.1. Sự phân bố cơng suất trƣờng gần (near – field): 31 1.3.2. Sự phân bố trƣờng trƣờng xa ( Far – field ): 32 1.4. Bƣớc sóng cắt 33 33 1.4.2. C¸c phơ thc cđa b-íc sãng c¾t 37 1.5. Các thơng số hình học 36 1.6. Các u cầu kỹ thuật đối với cáp quang 37 1.7. Kết luận chƣơng 1 38 CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO TRÊN SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG 39 2.1. Đo suy hao sợi quang 39 2.1.1. Đo suy hao theo phƣơng pháp hai điểm: 39 2.1.2. Đo suy hao theo phƣơng pháp đo tán xạ ngƣợc (Backscattering) 41 iv Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 2.2. Quy trình đo thử hệ thống cáp quang 45 2.2.1. Mục đính đo thử: 45 2.2.2. Các loại cơng tác đo thử: 46 2.2.3. Các phép đo: 46 2.3. Kết luận chƣơng 2 51 CHƢƠNG 3: ĐO SUY HAO BẰNG THIẾT BỊ OTDR 53 3.1. Thiết bị OTDR 53 3.1.1. Ngun lý hoạt động và sơ đồ tổng qt của máy đo OTDR 53 3.1.2. Các thơng số chính: 58 3.1.3. Các ứng dụng của máy đo quang dội OTDR: 60 3.2. Định giá sai số đo lƣờng 65 3.2.1. Ngun nhân và phân loại các sai số đo lƣờng 65 3.2.2. Sai số tuyệt đối và sai số tƣơng đối 67 3.2.3. Quy luật tiêu chuẩn phân bố sai số 68 3.2.4. Tiêu chuẩn đánh giá độ chính xác của kết quả đo lƣờng 70 3.3. Các ngun nhân gây sai số khi đo cự ly sợi quang 73 3.3.1. Ảnh hƣởng của chỉ số chiết quang đến phép đo 73 3.3.2. Ảnh hƣởng của độ rộng xung phát và dải động của OTDR 73 3.3.3. Ảnh hƣởng khi đặt vị trí con trỏ trên màn hình thiết bị OTDR 74 3.3.4. Ảnh hƣởng của sự sắp xếp sợi quang trong cáp 75 3.3.5. Ảnh hƣởng của sơ đồ hồn cơng khi xác định khoảng cách cáp 76 3.4. Đo thực nghiệm bằng thiết bị OTDR 77 3.4.1. Kết quả thực nghiệm đo đạc bằng thiết bị OTDR MW910C 77 3.4.2. Đánh giá kết quả 100 3.5. Kết luận chƣơng 3 100 KẾT LUẬN 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO 102 v Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1: Suy hao do hấp thụ vùng cực tím và hồng ngoại 3 Hình.1.2: Độ hấp thụ của ion OH( với nồng độ 10 -6 ) 4 Hình 1.3. Suy hao do tán xạ Rayleigh 5 Hình 1.4. Suy hao do ảnh hƣởng của uốn cong và vi uốn cong trên sợi quang 6 Hình 1.5. Suy hao do uốn cog thay đổi theo bán kính R 6 Hình 1.6. Suy hao mối hàn phụ thuộc góc nghiêng đầu sợi 7 Hình 1.7. Suy hao hàn nối do các yếu tố ngồi 8 Hình 1.8. Suy hao hàn nối do sự chênh lệch thơng số của 2 sợi 8 Hình 1.9. Độ suy hao do chênh lệch đƣờng kính và chiết suất 9 Hình 1.10. Các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu suất ghép quang 9 Hình 1.11. Đặc tuyến suy hao của sợi đơn mode 10 Hình 1.12. Ảnh hƣởng của tán xạ lên tín hiệu digital (a) và analog (b) 11 Hình 1.13. Hàm truyền đạt biên độ của sợi quang 12 Hình 1.14. Phổ bức xạ của LED và LD 13 Hình 1.15. Hệ số tán xạ vật liệu của các vật liệu 15 Hình 1.16. Sự phân bố năng lƣợng ánh sáng ở các bƣớc sóng khác nhau 18 Hình 1.17. So sánh tia dài nhất và tia ngắn nhất trong sợi SI 19 Hình 1.18. Sự phụ thuộc của tham số mặt cắt vào bƣớc sóng 22 . 23 Hình 1.20. Tán sắc tổng cộng của sợi quang đơn mode 24 Hình 1.21. Tán sắc sắc thể của một số loại sợi 26 Hình 1.22. Sự thay đổi đƣờng đi các tia sáng 27 Hình 1.23. Sự phụ thuộc của tán xạ mode vào sự trộn mode 28 Hình 1.24. Quan hệ B m và độ dài L 29 Hình 1.25. Sự phân bố của trƣờng mode cơ bản 30 Hình 1.26. Sự phân bố của trƣờng mode 31 Hình 1.27. Phân bố cơng suất trƣờng gần 32 Hình 1.28. Phân bố cơng suất trƣờng xa 32 vi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ Hình 1.29. Bƣớc sóng cắt là một hàm của độ dài sợi 35 Hình 1.30. B-íc sãng c¾t C tïy thc vµo: (a) b¸n kÝnh n cong; (b) chiỊu dµi sỵi 35 Hình 1.31. Dạng hình học của sợi quang 36 Hình 2.1. Đo suy hao theo phƣơng pháp cắt sợi. 39 Hình 2.2. Đo suy hao theo phƣơng pháp xen thêm suy hao 40 Hình 2.3. Phản xạ ở cuối sợi 42 Hình 2.4. Sự truyền tia tán xạ ngƣợc. 43 Hình 2.5. Ngun lý đo phản xạ và tán xạ ngƣợc 44 Hình 2.6. Sự thay đổi cơng suất quang theo chiều dài 45 Hình 2.7. Phản xạ ở khớp nối 47 Hình 2.8. Sơ đồ đấu nối máy đo OTDR kiểm tra mối hàn giá ODF. 47 Hình 2.9. Sơ đồ đấu nối máy đo OTDR kiểm tra mối hàn măng xơng 48 Hình 2.10. Sơ đồ đo suy hao tuyến cáp. 50 Hình 2.11. Sơ đồ đo nghiệm thu suy hao tồn trình. 50 Hình 3.1. Sơ đồ tổng qt của máy đo OTDR 54 Hình 3.2. Cơng suất phản xạ của một sợi đồng nhất 55 Hình 3.3 Sự biến thiên của cơng suất phản xạ qua các chƣớng ngại vật khác nhau 55 Hình 3.4 Sơ đồ phân bố cơng suất quang của một máy OTDR. 60 Hình 3.5. Đồ thị phân bố suy hao trên tuyến 61 Hình 3.6. Xác định chỗ bị đứt bằng cách dùng OTDR đo từ hai phía 62 Hình 3.7. Suy hao của mối hàn và khớp nối 63 Hình 3.8. Suy hao của mối hàn đo theo hai chiều 63 Hình 3.9. Dùng một OTDR để đo suy hao mối hàn theo hai chiều 64 Hình 3.10. Kiểm tra thứ tự mối hàn bằng OTDR 64 Hình 3.11. Biểu đồ phân bố tần suất 69 Hình 3.12. Giản đồ của v theo x 69 Hình 3.13 Giản đồ phân bố cung sin hay quy luật phân bố tam giác 69 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU Ngày nay hệ thống thơng tin phát triển mạnh như hũ bão, để đáp ứng được phần nào sự bùng nổ thơng tin trên tồn thế giới. Các mạng thơng tin hiện đại có cấu trúc điển hình gồm các nút mạng được tổ chức nhờ các hệ thống truyền dẫn khác nhau như cáp đối xứng, cáp đồng trục, sóng vi ba, vệ tinh… Nhu cầu thơng tin ngày càng tăng, đòi hỏi số lượng kênh truyền dẫn rất lớn, song các hệ thống truyền dẫn kể trên khơng tổ chức được các nguồn kênh cực lớn. Một số nước trên thế giới ngày nay, hệ thống truyền dẫn quang đã chiếm đa số trên tồn bộ hệ thống truyền dẫn. Xu hướng mới hiện nay của ngành Viễn thơng thế giới là cáp quang hóa hệ thống truyền dẫn nội hạt, quốc gia, và đường truyền dẫn quốc tế. Đối với Việt Nam chúng ta, với chính sách đi thẳng vào cơng nghệ hiện đại, trong những năm qua, ngành Bưu điện Việt Nam đã hồn thành số hóa mạng lưới truyền dẫn liên tỉnh, xây dựng và đưa vào sử dụng hệ thống truyền dẫn quang Quốc Gia 2,5Gb/s với cấu hình ring. Trong giai đoạn hiện nay, Ngành đang chủ trương cáp quang hóa mạng thơng 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 dẫn quang được chế tạo thành cáp sợi quang. Sợi quang với các thơng số của nó quyết định các đặc tính truyền dẫn trên tuyến. Do đó, đòi hỏi phải xác định chính xác các thơng số của nó. Thơng thường, thơng số của sợi quang đã được xác định do nhà sản xuất. Tuy nhiên khi sử dụng nó, trong thi cơng, lắp đặt, sử dụng… ta cũng cần đo đạc lại các thơng số cần thiết cho một tuyến cáp sợi quang như: Suy hao tồn tuyến, suy hao trung bình, suy hao hàn nối, suy hao ghép, khoảng cách của cuộn cáp sử dụng, khoảng cách của tồn tuyến, … Trong đó, quan trọng nhất là phải xác định một cách tương đối chính xác sự cố sảy ra trên tuyến. Một trong những phương pháp để xác định các thơng số trên đang được sử dụng rộng rãi là sử dụng thiết bị OTDR để đo. Trong bản luận văn này, nêu ra các phương pháp đo, trong đó giới thiệu các phương thức đo được bằng OTDR, đồng thời cũng nêu ra những yếu tố ảnh hưởng đến sai số của phép đo. Với thời gian có hạn, kiến thức còn hạn hẹp, bản luận văn này còn có nhiều thiếu sót, rất mong được sự đóng góp của các thày cơ giáo. 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ CHƢƠNG 1: CÁC THƠNG SỐ CƠ BẢN CỦA SỢI QUANG 1.1. SỰ SUY HAO CỦA SỢI QUANG 1.1.1. Định nghĩa Cơng suất quang truyền trên sợi sẽ giảm dần theo cự ly với quy luật hàm số mũ tƣơng tự nhƣ tín hiệu điện. Biểu thức tổng qt của hàm số truyền cơng suất có dạng: P 10 . 100 L xPL (1.1) Trong đó : P(0): Cơng suất ở đầu sợi (L = 0) P(L): Cơng suất ở cự ly L (Km) tính từ đầu sợi : Hệ số suy hao Cơng suất quang truyền trên sợi quang Độ suy hao của sợi đƣợc tính bởi: A(dB) =10lg 2 1 P P (1.2) Trong đó : 1 P = P(0) : Cơng suất đƣa vào đầu sợi )( 2 LPP : Cơng suất ở cuối sợi Hệ số suy hao trung bình: )( )( )/( KmL dBA KmdB (1.3) Trong đó : A: suy hao của sợi L: chiều dài của sợi 1.1.2. Các ngun nhân gây suy hao trên sợi quang Các kết quả nghiên cứu cho thấy cơng suất quang truyền trên sợi bị thất thốt do hấp thụ, tán xạ ánh sáng và khúc xạ qua chỗ sợi bị uốn cong. Ngồi ra, còn có thể kể thêm suy hao do hàn nối và do hiệu suất ghép quang. [...]... hao do hiệu suất ghép quang Hiệu suất ghép quang đƣợc tính bởi tỷ số cơng suất quang ghép vào sợi quang với cơng suất phát quang tổng cộng của nguồn quang Hiệu suất ghép quang càng lớn thì cơng suất quang ghép vào càng nhiều và ngƣợc lại Hiệu suất ghép phụ thuộc vào kích thƣớc vùng phát quang, góc phát quang của nguồn, góc thu nhận (NA) của sợi quang, vị trí đặt nguồn quang với sợi quang Hình 1.10 Các... sóng 1550nm sợi quang có suy hao nhỏ Để có đƣợc sợi dịch tán sắc, dạng phân bố chiết suất của sợi nhƣ hình 1.21 Lúc đó tán sắc chất liệu và tán sắc dẫn sóng triệt tiêu nhau ở bƣớc sóng 1550nm Đƣờng biến thiên tán sắc của sợi dịch tán sắc nhƣ trên hình 1.21 * Sợi san bằng tán sắc: Dung lƣợng của sợi quang có thể đƣợc nới rộng hơn bằng cách dùng hai hay nhiều bƣớc sóng trên cùng một sợi quang Kỹ thuật... số bức xạ quang, nên các ngun tử của vật liệu sợi cũng phản ứng với ánh sáng theo đặc tính chọn lọc bƣớc sóng Nhƣ thế, vật liệu cơ bản chế tạo sợi quang sẽ cho ánh sáng qua tự do trong một giải bƣớc sóng xác định với suy hao rất bé hoặc hầu nhƣ khơng suy hao Còn ở các bƣ , quang năng bị hấp thụ và chuyển hóa thành nhiệt năng Thủy tinh Silica (Si O 2 ) hiện nay đƣợc sử dụng để chế tạo sợi quang có các... học của sợi quang Nhƣ thế xung thu bị ng Đối với sợi đa mode do đƣờng kính ruột lớn nên ảnh hƣởng do tán xạ này rất nhỏ Còn sợi đơn mode có đƣờng kính ruột khá nhỏ nên tán xạ này có ảnh hƣởng đáng kể Điều đáng nói là do sợi có đƣờng kính ruột q nhỏ nên khi truyền dẫn có một phần ánh sáng lọt ra vỏ, vẫn lan truyền trên lớp tiếp giáp vỏ - ruột, có chiết xuất thay đổi nên sinh ra tr nhóm Với sợi đa mode... xung ánh sáng) nhƣng độ lớn của tán xạ dẫn sóng nhỏ hơn một bậc so với tán xạ vât liệu Ở bƣớc sóng 1,25 m thì tán xạ dẫn s ng trở nên có độ lớn đáng kể so với tán xạ vật liệu Tới bƣớc s ng 1,27 m chúng sẽ có dấu khác nhau và sẽ làm suy giảm lẫn nhau tới 0 Hình 1.16 Sự phân bố năng lượng ánh sáng ở các bước sóng khác nhau 1.2.3.3 Tán xạ mode Hiện tƣợng này chỉ xuất hiện ở sợi đa mode Các thành phần ánh... 2 Dchr (1.45) Dwg (1.46) Trong đó : Dt : Độ tán sắc tổng cộng (nếu là sợi đa mode ) Dmod : Độ tán sắc mode ( chỉ có trong sợi đa mode ) Dchr : Độ tán sắc sắc thể ( là độ tán sắc tổng cộng trong sợi đơn mode ) Dmat : Độ tán sắc chất liệu Dwg : Độ tán sắc ống dẫn sóng *) Tính độ tán sắc của tuyến: Dt 2 Dmod 2 Dchr Trong đó: Dt : Tán sắc tổng cộng Dmod : Tán sắc mode, đƣợc tính theo cơng thức: Dmod (ns... : Bán kính lõi g : Tham số mặt cắt 1.1.2.4 Suy hao do hàn nối: Khoảng cách giữa hai trạm thơng tin quang thƣờng kéo dài hơn chiều dài của một cuộn cáp và nhất thiết cần phải nối các sợi quang của hai cuộn cáp với nhau Có nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến độ suy hao của mối hàn, có thể xếp thành ba loại chính: - Chất lƣợng mặt cắt đầu sợi quang - Vị trí tƣơng đối giữa hai đầu sợi quang - Thơng số của hai sợi. .. tố ảnh hưởng đến hiệu suất ghép quang Để tăng hiệu suất ghép quang, ngƣời ta có thể dùng ghép giữa cách nguồn quang, hoặc nung chảy đầu sợi quang thành dạng cầu 1.1.3 Đặc tuyến suy hao sợi quang: Đặc tuyến suy hao của sợi quang khác nhau tùy theo chủng loại sợi nhƣng tất cả đều thể hiện đƣợc các đặc tính suy hao chung nhƣ đã phân tích Một đặc tuyến điển hình của loại sợi đơn mode nhƣ hình 1.11 Số hóa... Lúc đó, sử dụng cửa số thứ ba sẽ có đƣợc cả hai lợi điểm: Suy hao thấp và tán sắc nhỏ Bƣớc sóng 1550nm đƣợc sử dụng rộng rãi các tuyến cáp quang thả biển 1.2 TÁN XẠ TRONG SỢI QUANG 1.2.1 Hiện tƣợng, ngun nhân và ảnh hƣởng của tán xạ Khi truyền dẫn các tín hiệu digital qua sợi quang, sẽ xuất hiện hiện tƣợng giãn rộng các xung ánh sáng ở đầu thu, thậm chí trong một số trƣờng hợp, các xung lân cận Số hóa... Trƣờng hợp sau phải giảm cự li của đo n tiếp vận sao cho Dt Dmat Sợi đơn mode chỉ có tán sắc sắc thể nên Dt Dchr d mat L Do độ t khi dùng ở bƣớc sóng 1300nm, nên dải thơng của sợi đơn mode rất rộng Trong nhiều trƣờng hợp ngƣời ta khơng cần tính đến bƣớc 2 đối với sợi đơn mode 1.2.3.6 Độ tán sắc của một vài loại sợi đặc biệt * Sợi dịch tán sắc: Trong những tuyến cáp quang đƣờng dài bƣớc sóng 1550nm đƣợc . với cáp quang 37 1.7. Kết luận chƣơng 1 38 CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO TRÊN SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG 39 2.1. Đo suy hao sợi quang 39 2.1.1. Đo suy hao theo phƣơng pháp hai điểm: 39 2.1.2. Đo. gây suy hao trên sợi quang 2 1.1.3. Đặc tuyến suy hao sợi quang: 9 1.2. Tán xạ sợi quang 10 1.2.1. Hiện tƣợng, ngun nhân và ảnh hƣởng của tán xạ 10 1.2.2. Mối quan hệ giữa tán xạ với độ rộng. do những ưu điểm siêu việt của cáp sợi quang. Thành phần chính của hệ thống truyền dẫn quang là các sợi dẫn quang được chế tạo thành cáp sợi quang. Sợi quang với các thơng số của nó quyết định