Trong sợi đơn mode sự phân bố tr−ờng là một yếu tố quan trọng cần l−u ý khi xét điều kiện phóng ánh sáng vào sợi cũng nh− phân tích độ suy hao của các mối nối. Năng l−ợng, thể hiện qua biên độ tr−ờng bức xạ F(r), không chỉ tập trung trong lõi sợi mà có một phần truyền ngoài lớp học. Sự phân bố tr−ờng của mode sóng cơ bản nh− trên H.3.1
Hình 3.1: Phân bố tr−ờng của mode cơ bản
Năng l−ợng của tr−ờng mode đ−ợc phân bố trên tiết diện ngang theo quy luật hàm mũ (hàm Gauss), một phần năng l−ợng lọt ra vỏ và truyền lan trong vỏ. Sự phân bố t−ơng đối của c−ờng độ tr−ờng (I/Imax) là một hàm số của bán kính và b−ớc sóng nh− thể hiện trên hình 3.2.
Hình 3.2: Phân bố tr−ờng mode
Bán kính tr−ờng mode p là bán kính mà tại đó biên độ tr−ờng giảm đi 1/e lần (e = 2,718 nên 1/e ≈ 0,367 ≈ 37%). Đ−ờng kính 2p phụ thuộc vào b−ớc sóng λ. B−ớc sóng càng dài, đ−ờng kính tr−ờng mode càng tăng nh− trên H.3.1.
Đối với sợi đơn mode chiết suất nhảy bậc, đ−ờng kính tr−ờng mode hơi lớn hơn đ−ờng kính lõi và có thể tính theo công thức gần đúng:
2, 6 2 2 . 2, 6.2 . . c c p a a V V λ λ ≈ =
Theo tiêu chuẩn TCN - 68 - 160 : 1996, đ−ờng kính tr−ờng mode 2p là giá trị của phạm vi phân bố tr−ờng điện từ ngang của các mode trong mặt cắt của sợi và đ−ợc định nghĩa theo phân bố c−ờng độ tr−ờng xa F2 (θ) theo biểu thức sau:
2 2 0 2 2 3 0 2 ( ) sin cos 2 ( ) sin cos F d p F d π π θ θ θ θ λ π θ θ θ θ = ∫ ∫ trong đó θ là góc tr−ờng xa
Trong một số tr−ờng hợp liên quan đến các linh kiện quang, rất cần thiết phải hiểu thế nào là sự phân bố công suất quang tr−ờng xa hoặc tr−ờng gần. Chúng rất có ích khi phân tích các tham số hình học của sợi quang, nguồn quang hoặc phân tích việc ghép ánh sáng giữa nguồn quang- sợi quang
1. Sự phân bố tr−ờng công suất tr−ờng gần (near - field):
Khái niệm tr−ờng gần đ−ợc hiểu là c−ờng độ bức xạ trên bề mặt của nguồn quang (Led, Laser) hoặc ở ngay đầu ra của sợi quang.
Hình 3.3: Phân phối công suất tr−ờng gần
Ph−ơng pháp đo tr−ờng gần đ−ợc trình bày trong FOTP - 43. Trong hình 3.3 một thấu kính đ−ợc dùng để phóng đại vùng bức xạ ánh sáng (quá nhỏ) ra từ sợi quang. Giả sử có một bộ tách sóng quang có thể di chuyển đ−ợc sẽ quét trên một mặt phẳng, hoặc trên một đ−ờng thẳng nếu mô hình tr−ờng gần là đối xứng tròn.
Meng tách sóng quang cũng có thể đ−ợc sử dụng nếu meng này không thay đổi tuyến tính hoặc nhạy cảm, đặc biệt với các b−ớc sóng dài.
2. Sự phân bố tr−ờng xa (Far - field):
Khái niệm tr−ờng xa đ−ợc hiểu là c−ờng độ bức ra khỏi bề mặt nguồn quang qua cự ly Z với một góc θ xác định nh− hình 3.4a
Ph−ơng pháp đo tr−ờng xa đ−ợc trình bày trong FOTP - 47. Quan hệ giữa cự ly Z với đ−ờng kính vùng bức xạ lớn nhất d đ−ợc xác định theo bất đẳng thức sau:
2 (10 )d Z λ > (3.1) ở đây λ là b−ớc sóng ánh sáng sử dụng. Nhờ đó có thể xem vùng bức xạ nh− một điểm đến bộ tách sóng quang. D/ b−ớc sóng cắt: 1. Các khái niệm:
Không phải mode sóng nào cũng truyền đ−ợc trong sợi quang. Mỗi mode LP có một thừa số V cắt (Vc) t−ơng ứng, chỉ khi thừa số V nhỏ hơn Vcn thì mode đo mới truyền đ−ợc. Trị số của vài Vcn bậc thấp nh− sau:
Vc1 = 2,405 Vc2 = 3,832 Vc3 = 5,138 Vc4 = 5,520 Vc5 = 6,380
Trị số của Vcn chính là nghiệm của ph−ơng trình Bessel Jn(x) = 0
Thừa số V phụ thuộc vào b−ớc sóng (V=2π/λ.a.NA), ứng với thừa số V = Vcn thì λ = λcn, đ−ợc gọi là b−ớc sóng cắt.
Trong sợi đơn mode (chỉ có 1 mode cơ bản LP01) b−ớc sóng cắt λcl là một trong những thông số quan trọng. Đó là b−ớc sóng ngắn nhất mà sợi còn làm việc trong vùng đơn mode. Thông th−ờng ng−ời ta chỉ chú ý đến λcl nên dùng ký hiệu λc để chỉ λcl.
Sự phân chia vùng đơn mode và đa mode nh− d−ới đây: V = ∞ Vc2 = 3,832 Vc1 = 2,405 V = 0 Mode: LP01, LP11 LP02, LP21... Mode: LP01, LP11 Mode: LP01
Vùng đa mode Vùng đơn mode
λ=0 λ=∞
Một sợi đa mode có nhiều b−ớc sóng cắt. Đối với sợi GI-MM, số mode truyền đ−ợc trong sợi là: ( ) 2 2 2 2 1 2 1 . 4 m a N V π n n λ = = − (4.1) Trong đó: a là bán kính lõi
n1, n2 lần l−ợt là chiết suất đỉnh của lõi và lớp bọc
truyền ít hơn tạo vùng b−ớc sóng 850nm. Khi đ−ờng kính lõi giảm từ 50 àm, 62,5àm, 85àm hoặc 100àm xuống đến 8àm hoặc 9àm; và độ lệch chiết suất lõi lớp giảm từ 1% hoặc 2% xuống khoảng 0,35% thì số các nhóm mode sẽ giảm còn một hoặc hai mà thôi.
B−ớc sóng cắt là b−ớc sóng mà tại những b−ớc sóng lớn hơn nó thì tỷ số giữa công suất toàn phần và công suất của mode cơ bản sẽ giảm nhỏ hơn một giá trị xác định. Giá trị này đ−ợc chọn là 0,1dB cho đoạn sợi có chiều dài 2m. Có 02 loại b−ớc sóng cắt.
• B−ớc sóng cắt λC trên đoạn sợi ch−a bọc cáp (chỉ đ−ợc bọc lớp phủ - Primar coating)
• B−ớc sóng cắt λCC trên đoạn sợi đe đ−ợc bọc cáp trong điều kiện khai thác.
Một cách đơn giản nhất, b−ớc sóng cắt là b−ớc sóng ngắn nhất mà sợi đơn mode hoạt động ở chế độ đơn mode. Trên lý thuyết, b−ớc sóng cắt λC có thể đ−ợc tính gần đúng theo công thức 1 2 . . 2 2, 405 c a nπ λ = ∆ (4.2)
B−ớc sóng cắt thực tế, đo trên sợi (đặc biệt với sợi đe bọc cáp), th−ờng thấp hơn giá trị lý thuyết và lớn hơn 100nm.
B−ớc sóng cắt đ−ợc xác định dựa trên sự chuyển tiếp giữa double-mode/ single-mode bằng các ph−ơng pháp tr−ờng gần, tr−ờng xa, tách xung (pulse - splitting), phân cực (polarization), kết hợp (coherence) và công suất phát.
Ph−ơng pháp dựa trên công suất phát để xác định b−ớc sóng cắt đ−ợc chọn là ph−ơng pháp chuẩn của FOTP-80 [14].
2. Các phụ thuộc của b−ớc sóng cắt
Hình 4.2: B−ớc sóng cắt λC tùy thuộc vào: (a) bán kính uốn cong (b) chiều dài sợi
Hình vẽ 4.2.a mô tả ảnh h−ởng của bán kính uốn cong với các b−ớc sóng cắt. Quan hệ giữa bán kính uốn cong R và b−ớc sóng cắt λC là (theo [14]):
2 ( ) ( ) C C A B R R R λ =λ ∞ − ± (4.3)
Trong đó A, B là các tham số sợi d−ơng (positive fiber parameters)
Chú ý rằng b−ớc sóng cắt của sợi matched - cladding nhạy với uốn cong hơn sợi depressed - cladding. Tuy nhiên, b−ớc sóng cắt của sợi depressed - cladding lại nhạy với độ dài sợi nhiều hơn sợi matched - cladding (Hình 4.2.b).
Quan hệ giữa chiều dài sợi L và b−ớc sóng cắt λC là (theo [14]): ( ) (2) log 2 C C L L A λ =λ − (4.4)
Tham số nghiêng A (slope parameter) đ−ợc chọn nh− sau [14]: • Sợi vỏ chiết suất giảm: 20 ữ 40nm/decade
• Sợi vỏ t−ơng hợp: 55 ữ 75nm/decade E/ các thông số hình học
Trên lý thuyết, đ−ờng bao lõi và lớp bọc trên tiết diện của sợi quang là những hình tròn, đồng tâm. Thực tế thì các đ−ờng bao trên có thể bị méo và lệch tâm trong một phạm vi nhất định (H 5.1)
Hình 5.1. Dạng hình học của sợi quang
Các thông số hình học của sợi quang đ−ợc xác định bởi - Đ−ờng kính lõi: max min
2 d d d + = - Đ−ờng kính lớp bọc: max min 2 D D D + =
- Độ méo lõi: max min 0 .100% d d e d − =
- Độ méo lớp bọc: max min 0 .100% D D E D − = - Độ lệch tâm: c x.100% d =
Các thông số hình học của sợi đa mode tiêu chuẩn 50/125 àm nh− sau: - d = 50 ± 3 àm
- D = 125 ± 3 àm - e ≤ 3%
- E ≤ 2,5% - c ≤ 3%
F/ yêu cầu kỹ thuật đối với cáp sợi quang
Sợi quang muốn đ−a ra sử dụng đ−ợc cần phải bọc thành cáp. Sợi quang là thành phần chính của lõi cáp có chức năng truyền dẫn tín hiệu. Tr−ớc khi đ−ợc bọc thành cáp, sợi quang đ−ợc bọc một lớp vỏ sơ cấp có đ−ờng kính danh định là 250 àm, lớp vỏ này phải đảm bảo yêu cầu dễ dàng tách ra khỏi sợi mà không gây ảnh h−ởng đến sợi. Sợi đe bọc sơ cấp phải không bị đứt khi kéo với một lực làm den sợi tối thiểu 0,5% trong thời gian 1 giây. Sau đây là yêu cầu đối với cáp:
Về cấu trúc cáp sợi quang, cáp phải bảo đảm đặc tính cơ học và đặc tính truyền dẫn ổn định trong suốt quá trình lắp đặt và khai thác, có khả năng chịu đ−ợc các tác động của môi tr−ờng; cho phép khả năng vận chuyển, lắp đặt thi công dễ
dàng, hàn nối và sửa chữa thuận tiện.
Cáp phải đảm bảo dễ nhận dạng, dễ phân biệt đ−ợc với cáp kim loại bằng cách đánh dấu cáp. Sợi quang trong cáp phải nhuộm màu rõ ràng để dễ phân biệt, dễ nhận ra bằng mắt th−ờng và bền màu trong suốt quá trình khai thác cáp.
Thành phần gia c−ờng của cáp là rất quan trọng, nó phải đảm bảo giữ đ−ợc cho cáp không bị kéo căng quá, phải có độ mềm dẻo cần thiết, vừa tạo độ bền cho cáp, vừa đảm bảo dễ dàng sản xuất, thi công lắp đặt. Nếu thành phần gia c−ờng bằng kim loại, phải đảm bảo để hiện t−ợng ăn mòn không đ−ợc v−ợt quá giới hạn cho phép.
Chất làm đầy trong cáp phải đảm bảo có hệ số den nở nhỏ, không đông cứng ở nhiệt độ thấp, không cản trở sự di chuyển của sợi trong lõi cáp. Chất làm đầy cũng phải không đ−ợc gây độc hại, không gây ảnh h−ởng tới các thành phần khác trong cáp, không làm phai màu sợi.
Vỏ cáp phải bảo đảm bảo vệ tốt đ−ợc lõi cáp khỏi bị những tác động cơ học và những ảnh h−ởng của môi tr−ờng bên ngoài trong các quá trình lắp đặt, khai thác và l−u giữ. Đối với loại cáp treo, vỏ cáp còn phải bảo đảm không suy giảm chất l−ợng do bức xạ tử ngoại.
ch−ơng II: ph−ơng pháp đo các thông số của sợi quang và cáp quang
Việc đo thử trong hệ thống thông tin quang cũng cần thiết nh− trong thông tin điện. Có thể phân phạm vi đo của hệ thống thành hai loại chính:
Đo trên thiết bị:
Th−ờng bao gồm thiết bị ghép kênh và thiết bị đầu cuối quang. Các thống số chính cần đo liên quan đến chất l−ợng tin tức:
- Tỷ số bít lỗi (BER) - Độ tr−ợt pha (jitter) - Mức nhiễu
- Ng−ỡng thu
Đo trên sợi và cáp quang:
Các thông số cần đo liên quan đến đặc tính của sợi và cáp quang, chúng lại đ−ợc phân ra thành ba nhóm thông số chính
* Các thông số hình học và cấu trúc của sợi: - Khẩu độ số (góc mở đầu sợi)
- Dạng phân bố chiết suất - Đ−ờng kính lõi, lớp bọc - Đ−ờng kính tr−ờng mode - Độ méo elip của lõi và lớp bọc - Độ lệch tâm của lõi và lớp bọc * Các thông số điện và cơ học của cáp:
- Lực căng - Lực nén - Lực xoắn
- Bán kính uốn cong tối thiểu - Chu kỳ bẻ cong - Chu kỳ nhiệt - Độ thấm n−ớc - Độ cách điện của vỏ * Các thông số truyền dẫn - Suy hao - Dải thông - Tán sắc sắc thể - B−ớc sóng cắt
Nhóm thông số thứ ba đ−ợc đo trong lúc lắp đặt và trong quá trình bảo d−ỡng. Trong đó b−ớc sóng cắt, độ tán sắc, dải thông chỉ đo khi cần thiết để so sánh với trị số tính toán còn độ suy hao đ−ợc đo th−ờng xuyên hơn.
I. Đo suy hao sợi quang
Nh− đe phân tích ở tr−ớc, suy hao là một trong các thông số quan trọng, nó cho phép xác định xem tín hiệu quang bị suy giảm bao nhiêu khi qua một độ dài cho tr−ớc của sợi dẫn quang, từ đó có thể tính đ−ợc độ dài cực đại cho phép của tuyến mà không cần trạm lặp. Vì vậy, một trong các yêu cầu quan trọng là phải xác định đ−ợc thông số này.
Có hai ph−ơng pháp đo suy hao đang đ−ợc áp dụng:
* Ph−ơng pháp đo 2 điểm: dùng máy phát quang và máy đo công suất quang
* Ph−ơng pháp đo quang dội còn gọi là đo tán xạ ng−ợc (backscattering): dùng máy đo quang dội OTDR (hoặc gọi máy đo phản xạ quang theo thời gian).
1. Đo suy hao theo ph−ơng pháp hai điểm
Để đo suy hao sợi quang theo ph−ơng pháp này, cần có một nguồn quang có công suất phát ổn định và máy đo công suất quang có độ nhạy cao
Nguyên lý đo: Đo mức công suất quang ở đầu và cuối sợi để tính ra suy hao của sợi.
Để thích hợp với điều kiện của sợi quang cần đo, ph−ơng pháp này lại đ−ợc chia làm hai ph−ơng pháp với cùng một nguyên lý nh−ng cách đấu nối với sợi quang khác nhau:
a. Ph−ơng pháp cắt sợi (cut - back - method)
Hình 1.1. Đo suy hao theo ph−ơng pháp cắt sợi
Nối hai đầu sợi quang cần đo vào nguồn quang (LS) và máy đo công suất quang (OPM) nh− trên H.1.1 tiến trình đo qua các b−ớc nh− sau:
- Cho nguồn quang hoạt động, đo và ghi nhận mức công suất quang ở đầu xa L2 : P2.
- Nối máy đo công suất quang vào đoạn L1, đo và ghi nhận mức công suất quang ở đầu gần: P1
- Tính suy hao của sợi theo công thức:
1 2 ( ) ( ) 10 lg ( ) P mW A dB P mW = Nếu P1 và P2 đo bằng mW (1.1) A dB( )=P dBm1( )−P dBm2( ) Nếu P1 và P2 đo bằng dBm (1.2)
(dBm là đơn vị đo decibel đ−ợc so sánh với 1mW, đây chính là phép đo tuyệt đối, nghĩa là xác định mức điện tại điểm đo và nó không thay đổi)
- Suy hao trung bình của sợi: ( / ) ( ) ( ) A dB dB Km L Km α = Trong đó L = L2 - L1 (1.3)
Suy hao ghép ở hai đầu sợi quang đều có mặt trong cả hai lần đo công suất đầu gần và đầu xa nên chúng tự khử nhau trong quá cách tính suy hao nêu trên. Ph−ơng pháp đo cắt sợi cho kết quả đo chính xác, và đe đ−ợc ITU - T chấp nhận là một ph−ơng pháp tham khảo để đo suy hao sợi quang (RTM: Reference Test Method). Nó cũng là thủ tục thử FOTP - 46 cho sợi đa mode và FOTP - 78 cho sợi đơn mode của EIA.
Nh−ợc điểm của ph−ơng pháp này là sợi quang bị cắt đi một đoạn (2m) sau mỗi lần đo nên không thích hợp với các sợi quang đe lắp đặt và gắn sẵn khớp nối ở đầu sợi. Có thể tránh việc cắt sợi quang khi đo bằng ph−ơng pháp thứ hai.
b. Ph−ơng pháp xen thêm: (Insertion loss method)
Hình 1.2. Đo suy hao theo ph−ơng pháp xen thêm suy hao
Sợi quang cần đo đ−ợc nối với dây nối của nguồn quang thông qua một dụng cụ nối lắp ráp đ−ợc (H.1.2). Nếu sợi quang đe lắp đặt mà ch−a gắn với khớp nối ở đầu sợi thì dụng cụ ghép là một ống nối đàn hồi, nếu đe có khớp nối ở đầu sợi quang thì dụng cụ ghép là khớp nối.
Trình tự đo cũng t−ơng tự nh− ở ph−ơng pháp cắt sợi, nh−ng tr−ờng hợp này có thể đo công suất quang ở đầu gần tr−ớc:
- Đo công suất ở đầu gần: P1
- Nối sợi cần đo vào dây đo của nguồn thông qua dụng cụ và đo công suất quang ở đầu xa: P2
- Tính suy hao tổng cộng và suy hao trung bình nh− trong ph−ơng pháp cắt sợi Độ suy hao tổng cộng A của ph−ơng pháp này bao gồm cả suy hao của sợi