Khi ánh sáng truyền qua các khe khômg khí tại các vị trí sợi hỏng hoặc qua. Connector và đến cuối sợi , gặp mặt phân cách giữa sợi thuỷ tinh và không khí sẽ phản xạ ( phản xạ Fresnel ) với hệ số phản xạ ( Reflection Coefficint). R= ( ) ( )2 0 1 2 0 1 n n n n + − (4.5) Trong đó : n1 : chiết xuất của sợi thuỷ tinh.
no : chiết xuất của không khí. Với n1 = 1,5 và no = 1 thì :
R = 0,04 = 4% ( hay – 14 dBm )
Điều đó có nghĩa là ở mặt phân cách ( hoặc ở chổ sợi bị đứt ) có 4% công suất quang phản xạ trở lại.
Nếu mặt cắt đầu sợi quang nghiêng hoặc không nhẵn thì hệ số phản xạ thấp hơn.
Tổng quát , công suất phản xạ đợc diễn tả bởi :
Pr (t) = R Poexp ( -2αvt ) ( 4.6 ) Trong đó : R : hệ số phản xạ .
Po : công xuất ở đầu sợi.
α : hệ số suy hao trung bình ( Np / Km ). v : vận tốc ánh sáng trong sợi .
t : thời gian (s).
n1 Xung phát no
Hình 4.5. Phản xạ ở cuối sợi .
ánh sáng phải đi qua một khoảng cách đễ đến điểm phản xạ và trở về do vậy đến khoảng cách điểm phản xạ là:
S = 2 .t v (4.7) +Tán xạ ng ợc: lớp bọc n2 lỏi n1 lớp bọc Hình 4.6. Sự truyền tia tán xạ ngợc.
Tán xạ ngợc là do chiết xuất khúc xạ thay đổi dọc theo sợi quang . tại những chổ có sự chênh lệch chiết suất khúc xạ thì ánh sáng bị tán xạ . Các tia xạ ngợc toả ra mọi hớng . Những tia tán xạ ngợc về phía nguồn quang có phơng hợp với trục sợi một góc nhỏ hơn góc nhỏ tới hạn θc góc mở của sợi có thể truyền về đầu sợi . (hình 4.6.)
Những tia phản xạ theo các hớng khác thì tiếp tục truyền về cuối sợi hoặc bị khúc xạ ra khỏi lỏi tuỳ theo phơng của chúng .
Công suất tán xạ có dạng tổng quát :
Pr ( t ) = Sαs vt Po exp ( -2αvt ) ( 4.8 )
Trong đó : S : hệ số tán xạ ngợc . αs : hệ số tán xạ raylegh. V : vận tốc ánh sáng trong sợi. T : độ rộng xung ánh sáng .
Po : công suất của xung ánh sáng tới.
α : độ suy hao trung bình của sợi t : thời gian.
Hệ số tán xạ ngợc S phụ thuộc vào loại sợi quang :
• Sợi đa mode chiết xuất bậc ( SI )
1 2 2 2 1 2 4 . 2 3 n n n S = − ( 4.9 )
* Sợi đa mode chiết suất giảm dần ( GI ):
S = 1 2 2 2 1 2 4n n n − (4.10)
* sợi đơn mode (SI) 2 12 038 , 0 = p n S λ (4.11) b). Nguyên lý đo phản xạ và tán xạ ngợc :
Xung đo đợc tạo ra từ bộ phát xung và đa vào điều chế với nguồn quang bán dẫn nh diode phát quang LED hoặc diode laser ( LD ) . xung quang đã điều chế đi qua bộ ghép nối quang đễ truyền vào sợi quang cần đo. Xung ánh sáng truyền qua sợi sẽ xẫy ra tán xạ ngợc hoặc phản xạ trở lại đầu sợi tại những chổ không đồng nhất trên đờng truyền .
Các tia phản xạ và tán xạ ngợc qua bộ ghép quang đễ vào diode tách quang và trị số của xung phản xạ và tán xạ ngợc đợc chỉ thị trên màn hình .
Xung quang Bộ phát xung
Bộ ghép nối quang
Phản xạ và tán xạ
Hình 4.7. Nguyên lý đo phản xạ và tán xạ ngợc
Kết quả chỉ thị đợc thiết kế để thể hiện biên độ và thời gian lúc xuất phát xuang cho đến khi thu đợc xung quay trở lại . khi sự phản xạ xuất hiện ứng với điểm nào đó trên sợi thì có xung đột biến . tán xạ qua các mối hàn sẽ biểu thị suy hao nên đờng cong tại đó có bậc thang.
Biên độ Phản xạ từ chổ nối Phản xạ điểm hàn Phản xạ điểm cuối xung đa vào sợi quang chổ nối Sợi quang
chổ hàn
đầu cuối sợi
Hình 4.8. sự thay đổi công suất theo chiều dài .
4.3.ĐO TáN SắC Và DãI THÔNG CủA SợI :
Các ảnh hởng của tán sắc lên hệ thống truyền dẫn sợi quang đa mode đợc xác định bằng việc thực hiện các phép đo thử đáp ứng xung trong miền thời gian hoặc công xuất trong miền tần số .
Ta có mối quan hệ công xuất ra và công xuất vào sợi quang nh sau: P2 ( t ) = h (t ) ⊕ P1 ( t ) với ⊕ thẻ hiện tích chập (4.12). Trong đó : P1 ( t ) = Công suất đầu vào của sợi quang
P2 ( t ) = Công suất đầu ra của sợi quang H ( t ) = đáp ứng xung
Sử dụng biến đổi Fourier ta có mối quan hệ trong miền tần số giữa công suất ra và công suất vào của sợi quang nh sau :
P2 ( ω ) = h ( ω ) . P1 ( ω )
Trong đó P1 ( ω ) : Công suất đầu vào của sợi quang . P2 ( ω ) : Công suất đầu ra của sợi quang . h ( ω ) : Đáp ứng tần số . Với h ( ω ) = +∞∫ ∞ h ( t ) exp ( - iωt ) dt = FT [ g ( t ) ] = [ ( )] ( ) [P t ] FT t P FT 1 2
ở đây FT : biến đổi chuỗi Fourier.
4.3.1. Đo đáp ứng xung.
Nguyên lý : Nguyên lý của phơng pháp này là đo đáp ứng sợi trong miền thời gian. Cài đặt thực nghiệm phơng pháp đáp ứng xung đợc trình bày nh (hình 4.9). Để đo đáp ứng sợi , phóng một xung đầu vào rất ngắn vào sợi qua bộ trộn Mode. Gỉa sử xung đầu vào P1 ( t ) tuân theo luật Gauss có độ rộng xung đầu vào ( ở mức suy giảm 3dB ) là ∆t1 đợc đo lần thứ nhất trên ô xi lô làm mẩu . Sau đó xung thời gian đầu ra bằng ô xi lô đễ xác định độ rộng xung đầu ra là ∆t2 xung đầu vào có thể đợc sau bộ trộn mode hoặc sau sợi chuẩn
(2 m ) của sợi để kiểm tra.
Bộ biến đổi Bộ trộn mode
Sợi để đo
P2 P1 Hình 4.9: Cài đặt phơng pháp đáp ứng .
Kết quả đo : Độ rộng xung đầu vào và xung đầu ra tơng ứng (∆t1,∆t2 ) Tán sắc và dãi thông là ( đối với xung Gauss ) :
- Tán sắc tổng : τtotal = ∆t−∆t1 ( 4.13 ) - Dãi thông : B = 1 2 44 , 0 t t −∆ ∆ ( Hz ) (4.14 )
Một cách đễ tìm tán sác và dãi thông là tính tỷ số của biến đổi fourier Bộ phát xung Nguồn qung Ô xi lô Tách Máy tính
Xung đầu vào và xung đầu ra có đáp ứng tần số h (ω ) . Đáp ứng tần số đợc tính trên chiều dài sợi đa mode 1,5 km tại 0,85àm và 1300nm. Băng tần đo đợc tại –3dB ( đối với bộ tách quang ) là 270 MHz ( 310 Mhz . km )tại 850nm và 1150Mhz ( 1320 Mhz. Km ) tại 1300nm
4.3.2. Đo đáp ứng tần số:
Nguyên lý và cài đặt : đáp ứng sợi có thể đo trong miền tần số và thu đợc kết quả không cần tính đáp ứng tần số h (ω ) . Nguồn quang đợc điều chế trực tiếp bằng chức năng phát .
Bộ trộn mode
Sợi để đo P2 p1
Hình 4.10. Cài đặt phơng pháp đáp ứng tần số .
Tỷ số công suất ra và công suất vào p2 ( ω ) và p1 (ω) là đáp ứng tần số . Cách đơn giãn nhất thực hiện chức năng là sử dụng bộ phát quét và phát quét miền tần số , đo trực tiếp bằng máy phân tích phổ . thực nghiệm đo đợc trình bày trên (hình 4.10 ).
Nguồn quang đợc điều nchế máy phát tín hiệu hình sin. Đến đầu thu tín hiệu hình sin đợc tách ra và đa vào bộ phân tích phổ , tần số tín hiệu từ bộ tạo sóng quết cũng đa trực tiếp vào bộ phân tích phổ .
H2 ( ω ) = Hm ( ω ) . H ( ω ) H1 ( ω ) = hm ( ω ) Bộ phát quét Máy tính Nguồn quang Máy phân tích phổ Tách
Hm ( ω ) = Hàm truyền đạt của máy đo H2 ( ω ) = Hàm truyền đạt khi đo sợi dài H1 ( ω ) = Hàm truyền đạt khi đo sợi ngắn H ( ω ) = | H (ω ) | ej φ(ω)
H ( ω ) = Đáp ứng biên độ
4.3.3. Đo tán sắc và dãi thông của sợi đơn mode.
Độ tán sắc trong sợi đơn mode phụ thuộc vào độ rộng phổ của nguồn quang , bớc sóng công tác . Đợc xác định theo biểu thức sau đây : D (λ) = ( ) λ λ τ d d [ ps / nm . km ] ( 4.15) Trong đó : τ (λ) trể xung
Để đo tán sắc và dãi thông của sợi đơn mode thì đo t (λ ) có giá trị nh sau τ ( λ ) = A + B λ2 + C λ-2 + Dλ4 [ km ] ( 4.16 ) Có thể xác định τ ( λ ) theo hai phơng pháp sau:
a).Phơng pháp dịch pha:
Nguyên lý của phơng pháp này là điều chế nguồn quang với tần số từ bộ dao động hình sin và sau đó đo tín hiệu dịch pha đợc đa vào sợi đễ đo ( lu ý bớc sóng ): dịch pha có quan hệ với trễ thời gian. Nguồn quang là các loại diôt laser,Vì diôt phát quang dùng để lọc mà còn làm giảm độ rộng phổ hoặc laser điều hởng ngợc . ví dụ dới đây thể hiện cài đặt dịch phả dụng diôt laser khác nhau( hình 4.11 ).
Trong năm diôt laser của các bớc sóng quanh 1300nm để sử dụng do tán sắc của sợi đơn mode . thiết lập chuẩn ban đầu trên sợi chuẩn ( 2m ) để đo độ dịch tuyến tuỵệt đối khi đa sợi vào để đo . năm điểm đo đợc phải thoã mãn đặc tuyến trể bằng cách sử dụng hàm đa phức .
τ ( λ ) = A + B λ2 + C λ-2 + Dλ4[ km ] Sợi đo 2m Hình 4.11. Phơng pháp dịch pha b). Phơng pháp trễ xung:
Nguyên lý : Nguyên lý của phơng pháp này là thu đợc đặc tuyến trễ trực tiếp bằng cách đo trễ truyền sóng của xung thời gian quang nh hàm của bớc sóng . Nguồn quang cũng là các diôt laser xung , laser điều hởng ngợc , hoặc laser sợi Raman. Các nguồn này phải có khoảng thời gian xung thời gian đủ nhỏ hơn trễ thời gian trung bình đợc đo . phơng pháp Raman sử dụng hiệu ứng Raman phi tuyến trong sợi đợc bơm bằng laser chuyển mạch –QNd: YAG. Do chịu năng lợng bơm lớn , sợi phát phổ huỳnh quang , ngời ta gọi phổ Raman có dãi từ 1060nm đến 1700 nm . sau đó kết hợp với bộ đơn sắc , sợi laser đợc bơm
LD – 1 ( 1260nm ) LD – 2 ( 1280nm ) LD – 3 ( 1300nm ) LD – 4 ( 1320nm ) LD – 5 ( 1340nm ) Chuyễn mạch quang Máy tính Tách quang Pha kế Dao động
ớc sóng từ 1060nm đến 1700nm với bớc sóng đợc chọn và độ rộng phổ đợc chọn . Lu ý laser Nd: YAG chuyển mạch Q ở chế độ khoá ở chế độ khoá có thể phát xung quang rất nhỏ có độ rộng nhỏ hơn 400ps.
Nguyên lý và thiết lập đo nh hình 4.12. dới đây:
Sợi để đo
Hình 4.12. Phơng phát Laser Raman.
4.3.4.Yêu cầu kỹ thuật trớc khi đo.
Để đảm bảo cho quá trình chất lợng trớc khi đo thì tối thiểu phảI đáp ứng các yêu cầu nh sau:
- Các thiết bị dùng để đo phải đảm bảo có đủ chức năng, cho ra kết quả đo chính xác và trung thực.
- Các dụng đo cần thiết nh các đầu nối thiết bị, các đây đo và đặc biệt là bộ nối quang cần phải đợc làm sạch trớc khi đo.
- Các thiết bị đo phải sử dụng cho qui trình đo nghiệm thu tuyến thông tin Chuyển mạch Q ở chế độ khoá Chuyễn Mạch Q Laer Nd : YAg Bộ đơn sắc Tách quang Ô xi lô Bộ phát trể Máy tính Tách qung
quang phải đợc qua kiểm chuẩn hoặc đợc cơ quan có thẩm quyền cấp nghành cho phép .
- Trớc khi tiến hành đo thử, phải kiểm tra lại thiết bị hoạt động của thiết bị đo, nếu có vấn đề nghi ngờ thì không đợc phép sử dụng thiết bị đo đó.
- Phải đảm bảo các điều kiện đo. trớc khi tiến hành đo cần kiểm tra các
điều kiện về môi trờng nơi lắp đặt các thiết bị , các điều kiện về nhiệt độ, độ ẩm không vợt quá mức giới hạn cho phép các thiết bị đợc sử dụng.
- Ngời tham gia trực tiếp vào các phép đo phải am hiểu vững vàng về kỹ thuật mà bản thân tham gia vào đo. Phải nắm vững qui trình đo, thao tác thành thạo các thiết bị đo và có khả năng vận hành và khai thác tốt các hệ thống .
- Ngời đo phải thực hiện đúng qui định về đo thử qui trình, đảm bảo an toàn khi đo cho cả thiết bị và con ngời.
MụC LụC : Lời nói đầu……….1
Chơng I. Các hệ thống truyền dẫn bằng cáp sợi quang...2
1.1.Tiến trình phát triển của hệ thống thông tin quang………..2
1.2.Các u điểm của hệ thống truyền dẫn bằng cáp sợi quang………..3
a. Hệ thống truyền dẫn quang có những u điểm sau………..3
b. Những nhợc điểm trong truyền dẫn quang………4
1.3.Các hệ thống truyền dẫn số bằng sợi quang trong mạng viễn thông……...4
1.3.1.Hệ thống truyền dẫn bằng sợi quang, điều chế cờng độ tách sóng trực tiếp……….4
1.4. Xu hớng phát triển của hệ thống truyền dẫn cáp sợi quang………..9
1.4.1Sử dụng kỹ thuật phân kênh theo bớc sóng……….9
1.4.2.thực hiện các hệ thống truyền dẫn Coherent và sử dụng kỹ thuật phân kênh theo tần số ……… ………. 10
ChơngII. Các thông số của sơi quang...……….12
2.0. Giới thiệu cấu trúc về cáp sợi quang………..12
2.1 Lý thuyết về sợi quang ... ...… … ………..12
a. Chiếtsuất của môi trờng..………..13
b. Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng……… ……….. 13
c. Sự phản xạ toàn phần………...14
2.1.2.Sự truyền ánh sáng trong sợi quang………15
a. Nguyên lý truyền dẫn chung………15
b. Khẩu độ số………...15
a. Sợi quang chiết suất phân bậc……….18
b. Sợi quang chiết suất giảm dần……….19
c. Các dạng chiết suất khác……….20
2.1.4.Sợi đa mode và đơn mode……… ……….. 20
a. Sợi đa mode……… ……… ………... .. 22
b. Sợi đơn mode……… ………. .23
2.2. Suy hao sợi quang...………24
2.2.1.Định nghĩa………… …… ………. .. ...24
2.2.2.Các nguyên nhân gây suy hao trên sợi quang .… ………...25
a. Suy hao hấp thụ……… ………. ..25
b. Suy hao tán xạ……… ………. .27
c. Suy hao do sợi bị uốn cong……… ….. 28
d. Suy hao do hàn nối……… ….. 29
2.2.3.Đặc tuyến suy hao………..32
2.3. Tán xạ trong sợi quang………33
2.3.1.Hiện tợng, nguyên nhân, và ảnh hởng của tán sắc………..33
2.3.2.Mối quan hệ giữa tán xạ với độ rộng băng truyền dẫn và tốc độ truyền dẫn bit………..34 2.3.3.Các loại tán sắc………..36 a. Tán xạ vật liệu………36 b. Tán sắc dẫn sóng……….39 c. Tán xạ mde……….40 d. Tán xạ mặt cắt……….44 e. Tán sắc tổng cộng………44
2.3.4.ảnh hởng của sự trộn mde trong sợi quang……….49
2.3.5.Sự trộn mode vừa có tác dụng vừa gây hại cụ thể nh sau……….50
2.4. Các thông số hình học……….51
Chơng III.Một số cáp sợi quang………54
3.1. ứng dụng của ống đệm trong cáp sợi quang………54
3.1.1.Các loại ống đệm………54
a. Một sợi ống đệm lỏng……… ………. 54
b. ống đệm nhiều sợi………..56
3.1.2.ống đệm chặt……….57
3.2. Cấu trúc tổng thể các loại cáp sợi quang……….58
3.2.1.Cấu trúc cáp chôn………...58
3.2.2.Cấu trúc cáp treo……….59
3.2.3.Cấu trúc cáp quang biển ..… ………...60
3.2.4.Cấu trúc cáp trong nhà……… ………... .61
Chơng IV.Một số phơng pháp đo trên sợi quang……….62
4.1. Giới thiệu máy đo suy hao sợi quang……… …………. .62
a. Khái niệm đề- ci- ben………..62
b. Thiết bị đo………63
4.1.1.Xác định tổn hao của dây nhảy………..63
4.1.2.Đo sợi quang………..65
4.2.Đo suy hao sợi quang………68
4.2.1.Đo suy hao theo phơng pháp hai điểm……….68
a. Phơng pháp cắt sợi……….69
b. Phơng pháp xen thêm………70
4.2.2.Đo suy hao theo phơng pháp tán xạ ngợc………..71
a. Sự hình thành phản xạ và tán xạ ngợc………71
b. Nguyên lý đo phản xạ và tán xạ ngợc………74
4.3. Đo tán sắc và dãi thông của sợi………..76
4.3.1.Đo đáp ứng xung………76
4.3.2.Đo đáp ứng tần số………..78
a. Phơng pháp dịch pha……….79
b. Phơng pháp trể xung……….80