D/ B−ớc sóng cắt
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 quang và dụng cụ nối. Có thể tính suy hao riêng của sợi bằng cách trừ bớt suy hao của dụng cụ nối (−ớc tính). Trên thực tế th−ờng cần đo suy hao toàn tuyến bao gồm cả khớp nối ở hai đầu nên ph−ơng pháp này tỏ ra thích hợp hơn. Đây là ph−ơng pháp luân phiên (ATM: Alternate test method) có trong thủ tục FOTP - 53 EIA.
2. Đo suy hao theo ph−ơng pháp đo tán xạ ng−ợc (Backscattering)
ý t−ởng của ph−ơng pháp này lá phóng các xung ánh sáng vào các sợi quang rồi thu nhận và phân tích các xung phản xạ, tán xạ ng−ợc theo thời gian để đánh giá đặc tính truyền dẫn của sợi quang.
Nguyên lý này đ−ợc áp dụng trong máy đo OTDR do Barnosky và Jensen đ−a ra lần đầu vào năm 1976.
Kỹ thuật này cho phép xác định suy hao sợi quang, suy hao mối hàn, chỗ sợi bị đứt... chỉ ở tại một đầu sợi mà không cần phải cắt sợi.
a. Sợi hình thành phản xạ và tán xạ ng−ợc * Phản xạ:
Khi ánh sáng truyền qua các khe không khí tại các vị trí sợi hỏng hoặc qua connector và đến cuối sợi, gặp mặt ngăn cách giữa sợi thủy tinh và không khí sẽ phản xạ (phản xạ Fresenel) với hệ số phản xạ (Reflection coefficient)
2 1 0 2 1 0 ( ) ( ) n n R n n − = + (1.4)
Trong đó: n1 : Chiết suất của sợi thủy tinh n0 : Chiết suất của không khí Với : n1 = 1,5 và n0 = 1 thì:
R = 0,04 = 4% (hay -14dB)
Điều đó có nghĩa là ở mặt ngăn cách (hoặc ở chỗ sợi bị đứt) có 4% công suất quang phản xạ trở lại.
Nếu mặt cắt đầu cuối sợi quang nghiêng hoặc không nhẵn thì hệ số phản xạ thấp hơn
Tổng quát, công suất phản xạ đ−ợc diễn tả bởi:
0
( ) exp( 2 )
r
P t =R P − αvt (1.5)
Trong đó (R: hệ số phản xạ, P0 : công suất ở đầu sợi, α: hệ số suy hao trung bình (Np/Km), v : vận tốc ánh sáng trong sợi, t : thời gian “s”).
Xung phát n1
Xung phản xạ n0
ánh sáng phải đi qua một khoảng cách để đến điểm phản xạ và trở về, do vậy đến khoảng cách điểm phản xạ là: . 2 V t S = (1.6) * Tán xạ ng−ợc:
Tán xạ ng−ợc là do chiết suất khúc xạ thay đổi dọc theo sợi quang. Tại những chỗ có sự chênh lệch chiết suất khúc xạ thì ánh sáng bị tán xạ. Các tia tán xạ ng−ợc tỏa ra mọi h−ớng. Những tia tán xạ ng−ợc vè phía nguồn quang có ph−ơng hợp với trục sợi một góc nhỏ hơn góc mở của sợi có thể truyền về đầu sợi. (H.1.4)
Hình 1.3. Truyền tia tán xạ ng−ợc
Những tia tán xạ theo các h−ớng khác thì tiếp tục truyền về phía cuối sợi hoặc bị khúc xạ ra khỏi lõi tùy theo ph−ơng của chúng.
Công suất tán xạ có dạng tổng quát:
0 ( ) exp( 2 ) s s P t =Sα τv P − αvt (1.7) Trong đó: S: hệ số tán xạ ng−ợc αs : hệ số tán xạ Rayleigh v : vận tốc ánh sáng trong sợi τ : độ rộng xung ánh sáng
P0 : công suất của xung ánh sáng tới
α : độ suy hao trung bình của sợi quang, t : thời gian Hệ số tán xạ ng−ợc S phụ thuộc vào loại sợi quang
* Sợi đa mode chiết suất nhảy bậc (SI)
2 2 1 2 2 1 3 . 2 4 n n S n − = (1.8)
* Sợi đa mode chiết suất giảm dần (GI)
2 2 1 2 2 1 4 n n S n − = (1.9)
n1: Chiết suất lõi sợi n2: Chiết suất lớp bọc
b. Nguyên lý đo phản xạ và tán xạ ng−ợc
Hình 1.4. Nguyên lý đo phản xạ & tán xạ ng−ợc
Xung đo đ−ợc tạo ra từ bộ phát xung và đ−a vào điều chế với nguồn quang bán dẫn nh− diode phát quang LED hoặc diode laser LD. Xung quang đe điều chế đi qua bộ ghép nối quang để truyền vào sợi quang cần đo. Xung ánh sáng truyền qua sợi sẽ xảy ra tán xạ ng−ợc hoặc phản xạ trở lại đầu sợi tại những chỗ không đồng nhất trên đ−ờng truyền.
Các tia phản xạ và tán xạ ng−ợc qua bộ ghép nối quang để vào diode tách quang và trị số của xung phản xạ và tán xạ ng−ợc đ−ợc chỉ thị trên màn hình và đồng hồ đo.
Kết quả chỉ thị đ−ợc thể hiện cả biên độ và thời gian từ lúc phát xung cho đến khi thu đ−ợc xung quay trở lại. Khi sự phản xạ xuất hiện ứng với điểm nào đó trên sợi thì có một xung đột biến. Tán xạ ng−ợc qua các mối hàn sẽ biểu thị suy hao nên đ−ờng cong tại đó có bậc thang.
3. Một số vấn đề cần l−u ý đo đoạn sợi quang ngắn
Đo suy hao theo ph−ơng pháp hai điểm là đo công suất quang ở đầu và cuối sợi quang để tính ra độ suy hao, trong đó có đo đoạn sợi quang chỉ dài 2m. Nếu không chú ý đến tính chất truyền dẫn của đoạn sợi quang ngắn khi đo công suất quang ở đầu nguồn quang thì sai số của kết quả đo rất đáng kể. Để có kết quả đo chính xác cần l−u ý đến các ảnh h−ởng sau:
a. ảnh h−ởng của Cladding mode:
Khi nguồn quang phóng ánh sáng vào sợi quang, các tia sáng có góc tới trong phạm vi góc mở sẽ truyền trong lõi sợi (tia A, B trong Hình 1.7). Những tia sáng có góc tới lớn hơn góc mở sẽ khúc xạ ra khỏi lõi và có thể truyền trong lớp bọc (tia C) hoặc khúc xạ ra khỏi sợi (tia D).
Mode sóng truyền trong lóp bọc, đ−ợc gọi là Cladding mode, tồn tại khi chiết suất môi tr−ờng ngoài lớp bọc nhỏ hơn chiết suất lớp bọc (điều kiện để xảy ra phản xạ toàn phần). Điều này có thể xảy ra khi sợi đe đ−ợc tẩy sạch lớp phủ (chiết suất không khí nhỏ hơn chiết suất thủy tinh) hoặc vật liệu làm lớp phủ có chiết suất nhỏ.
Hình 1.6. Ghép ánh sáng vào đầu sợi quang
Suy hao của Cladding mode khá cao nên nó chỉ truyền đ−ợc trong một cự ly nhất định. Khi đo công suất quang ở đầu xa không có mặt của Cladding mode nh−ng khi đo công suất quang ở đầu gần sẽ có sự tham gia của Cladding mode. Điều này làm cho kết quả đo suy hao theo ph−ơng pháp hai điểm có khuynh h−ớng cao hơn suy hao thật của sợi.
Nếu chiết suất của lớp phủ lớn hơn chiết suất của lớp bọc (np > n2) thì lớp phủ sẽ khử Cladding mode. Một ph−ơng pháp đơn giản để khử Cladding mode là tẩy sạch lớp phủ trên sợi quang một đoạn (khoảng 10cm) rồi nhúng sợi vào chất lỏng có chiết suất hơi lớn hơn chiết suất của lớp bọc (dầu parafin hoặc glyceryl)
Cladding mode có thể tồn tại cả trong sợi đa mode lẫn trong sợi đơn mode. Ngoài ra cũng có thể cho chùm tia sáng vào sợi với góc tới nhỏ hơn góc mở