Trên lý thuyết, đƣờng bao lõi và lớp bọc trên tiết
. Thực tế thì các đƣờng bao trên cĩ thể bị méo và lệch tâm trong một phạm vi nhất định (Hình 1.31)
Hình 1.31. Dạng hình học của sợi quang
Các thơng số hình học của sợi quang đƣợc xác định bởi: - Đƣờng kính lõi: 2 min max d d d .
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ - Đƣờng kính lớp bọc: 2 min max D D D .
- Độ méo lõi: ax min
0 .100% m d d e d - Độ méo lớp bọc : ax min 0 .100% m D D E D - Độ lệch tâm: c x.100% d
Các thơng số hình học của sợi đa mode tiêu chuẩn 50/125 m nhƣ sau: - d = 50 3 m
- D = 125 3 m
- e 3% - E 2,5% - c 3%
1.6. YÊU CẦU KỸ THUẬT ĐỐI VỚI CÁP SỢI QUANG
Sợi quang muốn đƣa ra sử dụng cần phải bọc thành cáp. Sợi quang là thành phần chính của lõi cáp cĩ chức năng truyền dẫn tín hiệu. Trƣớc khi đƣợc bọc thành cáp, sợi quang đƣợc bọc một lớp vỏ sơ cấp cĩ đƣờng kính danh định là 250 m, lớp vỏ này phải đảm bảo yêu cầu dễ dàng tách ra khỏi sợi mà khơng gây ảnh hƣởng đến sợi. Sợi đã bọc sơ cấp phải khơng bị đứt khi kéo với một lực làm giãn 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 đảm bảo đặc tính cơ học và đặc tính truyền dẫn ổn định trong suốt quá trình lắp đặt và khai thác, cĩ khả năng chịu được các tác động của mơi trường; cho phép khả năng vận chuyển, lắp đặt thi cơng dễ dàng, hàn nối và sửa chữa thuận tiện.
- Cáp phải đảm bảo dễ nhận dạng, dễ phân biệt được với cáp kim loại bằng cách đánh dấu cáp. Sợi quang trong cáp quang phải nhuộm màu rõ ràng để dễ phân biệt, dễ nhận ra bằng mắt thường và bền màu trong suốt quá trình khai thác cáp.
- Thành phần gia cường của cáp là rất quan trọng, nĩ phải đảm bảo giữ được cho cáp khơng bị kéo căng quá, phải cĩ độ mềm dẻo cần thiết, vừa tạo độ bền cho cáp, vừa đảm bảo dễ dàng sản xuất, thi cơng lắp đặt. Nếu thành phần gia cường bằng kim loại, phải đảm bảo để hiện tượng ăn mịn khơng được vượt quá giới hạn cho phép.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
- Chất làm đầy trong cáp phải đảm bảo cĩ hệ số giãn nở nhỏ, khơng đơng cứng ở nhiệt độ thấp, khơng cản trở sự di chuyển của sợi trong lõi cáp. Chất làm đầy cũng phải khơng được gây độc hại, khơng gây ảnh hưởng tới các thành phần khác trong cáp, khơng làm phai màu sợi.
- Vỏ cáp phải bảo đảm bảo vệ tốt được lõi cáp khỏi bị những tác động cơ học và những ảnh hưởng của mơi trường bên ngồi trong các quá trình lắp đặt, khai thác và lưu giữ. Đối với cáp treo, vỏ cáp cịn phải đảm bảo khơng suy giảm chất lượng do bức xạ tử ngoại.
1.7. KẾT LUẬN CHƢƠNG I
Trong chƣơng này, đã đƣa ra các thơng số cơ bản của sợi quang nhƣ: Suy hao, tán sắc, đƣờng kính trƣờng mode, bƣớc sĩng cắt, các thơng số hình học, các yêu cầu kỹ thuật đối với cáp quang… Qua đĩ giúp cho việc nghiên cứu, khảo sát, tính tốn các loại sợi quang và tính tốn thiết kế các hệ thống truyền dẫn quang để ứng dụng trong thực tế.
Nhƣ chúng ta đã biết, một trong những yếu tố cơ bản ảnh hƣởng đến khả năng truyền dẫn của hệ thống truyền dẫn thơng tin cáp sợi quang là độ suy hao, độ tán sắc… Tuy nhiên đối với các hệ thống truyền dẫn thơng tin cáp sợi quang khác nhau (sự đánh giá khác nhau dựa trên cự ly truyền dẫn và dung lƣợng thiết bị) thì mức độ ảnh hƣởng của các yếu tố này cũng khác nhau:
- Đối với hệ thống truyền dẫn cĩ cự ly ngắn hay dài, thì yếu tố cần quan tâm là độ suy hao và tán sắc.
- Đối với tuyến cĩ cự ly và tốc độ rất lớn thì ngồi độ suy hao và tán sắc thì cần quan tâm đến hiện tƣợng phi tuyến
Độ suy hao của sợi quang phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Do nhà sản xuất, và khi thi cơng lắp đặt, vận hành… Cĩ 3 vùng bƣớc sĩng cĩ suy hao thấp ở các bƣớc sĩng 850nm, 1300nm, 1550nm, với sợi quang đƣợc chế tạo cĩ dạng phân bố chiết suất đặc biệt thì bƣớc sĩng 1550nm đƣợc sử dụng rộng rãi vì tại đĩ sẽ cĩ suy hao thấp và tán sắc nhỏ. Ngày nay ngƣời ta đã thiết kế và chế tạo hai loại sợi quang mới dùng khá hiệu quả trong các hệ thống thơng tin quang, đĩ là sợi quang đơn mode tán sắc dịch chuyển DSF (Dispertion-Shifted Fiber) và sợi đơn mode tán sắc dịch chuyển khơng bằng khơng hay tán sắc dịch chuyển khác khơng NZ-DSF(Non-Zero Dispersion-Shifted Fiber).
Nhƣ vậy, nhờ hai loại sợi này với nhiều ƣu điểm là độ suy hao, độ tán sắc thấp giúp ta cĩ thể xây dựng đƣợc các hệ thống thơng tin quang cĩ tốc độ cao, cự ly xa...
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO TRÊN SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG
2.1. ĐO SUY HAO SỢI QUANG
Nhƣ đã phân tích ở trƣớc, suy hao là một trong các thơng số quan trọng, nĩ cho phép xác định xem tín hiệu quang bị suy giảm bao nhiêu khi qua một độ dài cho trƣớc của sợi dẫn quang, từ đĩ cĩ thể tính đƣợc độ dài cực đại cho phép của tuyến mà khơng cần trạm lặp. Vì vậy, một trong các yêu cầu quan trọng là phải xác định đƣợc thơng số này.
Cĩ hai phƣơng pháp đo suy hao đang đƣợc áp dụng:
- Phƣơng pháp đo 2 điểm: Dùng máy phát quang và máy đo cơng suất quang.
- Phƣơng pháp đo quang dội cịn gọi là đo tán xạ ngƣợc (backscattering): Dùng máy đo quang dội OTDR ( hoặc gọi máy đo phản xạ quang theo thời gian).
2.1.1. Đo suy hao theo phƣơng pháp hai điểm:
Để đo suy hao sợi quang theo phƣơng pháp này, cần cĩ một nguồn quang cĩ cơng suất phát ổn định và máy đo cơng suất quang cĩ độ nhạy cao.
Nguyên lý đo: Đo mức cơng 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, phƣơng pháp này lại đƣợc chia làm hai phƣơng pháp với cùng một nguyên lý đo nhƣng cách đấu nối với sợi quang khác nhau:
2.1.1.1. Phương pháp cắt sợi (cut-back-method)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ Nối hai đầu sợi quang cần đo vào nguồn quang (LS) và máy đo cơng suất quang (OPM) nhƣ trên hình 2.1. tiến trình đo qua các bƣớc nhƣ sau:
- Cho nguồn quang hoạt động, đo và ghi nhận mức cơng suất quang ở đầu xa L2:P2.
- Cắt sợi quang ở đầu gần nguồn quang L1 (2m).
- Nối máy đo cơng suất quang vào đoạn L1, đo và ghi nhận mức cơng suất quang ở đầu gần: P1.
- Tính suy hao của sợi theo cơng thức: 1 2 ( W) ( ) 10 lg ( W) P m A dB P m nếu P1 và P2 đo bằng mW (2.1) A dB( ) P dBm1( ) P dBm2( ) nếu P1 và P2 đo bằng dBm (2.2) (dBm là đơn vị đo decibel đƣợc so sánh với 1mW, đây chính là phép đo tuyệt đối, nghĩa là xác định mức điện tại điểm đo và nĩ khơng thay đổi.)
- Suy hao trung bình của sợi: ( / ) ( ) ( )
A dB dB Km
L Km Trong đĩ L = L2 - L1 (2.3) Suy hao ghép ở hai đầu sợi quang đều cĩ mặt trong cả 2 lần đo cơng suất đầu gần và đầu xa nên chúng tự khử nhau trong cách tính suy hao nêu trên. Phƣơng pháp đo cắt sợi cho kết quả đo chính xác, và đã đƣợc IUT–T chấp nhận là một phương pháp tham khảo để đo suy hao sợi quang (RTM : Reference Test Method). Nĩ cũng là thủ tục thử FOTP – 46 cho sợi đa mode và FOTP – 78 cho sợi đơn mode của EIA.
Nhƣợc điểm của phƣơng pháp này là sợi quang bị cắt đi một đoạn (2m) sau mỗi lần đo nên khơng thích hợp với các sợi quang đã lắp đặt và gắn sẵn khớp nối ở đầu sợi. Cĩ thể tránh việc cắt sợi quang khi đo bằng phƣơng pháp thứ hai.
2.1.1.2. Phương pháp xen thêm : (Insertion loss method)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ Sợi quang cần đo đƣợc nối với dây nối của nguồn quang thơng qua một dụng cụ nối lắp ráp đƣợc (H.2.2). Nếu sợi quang đã lắp đặt mà chƣa gắn với khớp nối ở đầu sợi thì dụng cụ ghép nối là một ống nối đàn hồi, nếu đã cĩ khớp nối ở đầu sợi quang thì dụng cụ ghép là khớp nối.
Trình tự đo cũng tƣơng tự nhƣ ở phƣơng pháp cắt sợi, nhƣng trƣờng hợp này cĩ thể đo cơng suất quang ở đầu gần trƣớc:
- Đo cơng suất ở đầu gần: P1
- Nối sợi cần đo vào dây đo của nguồn thơng qua dụng cụ và đo cơng suất quang ở đầu xa: P2
- Tính suy hao tổng cộng và suy hao trung bình nhƣ trong phƣơng pháp cắt sợi. Độ suy hao tổng cộng A của phƣơng pháp này bao gồm cả suy hao của sợi quang và dụng cụ nối. Cĩ thể tính suy hao riêng của sợi bằng cách trừ bớt suy hao của dụng cụ nối (ƣớc tính). Trên thực tế thƣờng cần đo suy hao tồn tuyến bao gồm cả khớp nối của hai đầu nên phƣơng pháp này tỏ ra thích hợp hơn. Đây là phƣơng pháp luân phiên (ATM: Alternate Test Method) cĩ trong thủ tục FOTP – 53 của EIA.
2.1.2. Đo suy hao theo phƣơng pháp đo tán xạ ngƣợc (Backscattering)
Ý tƣởng phƣơng pháp này là phĩng các xung ánh sáng vào các sợi quang rồi thu nhận và phân tích các xung phản xạ, tán xạ ngƣợc theo thời gian để đánh giá đặc tính truyền dẫn của sợi quang.
Nguyên lý này đƣợc áp dụng trong máy đo OTDR do Barnosky và Jensen đƣa ra lần đầu vào năm 1976.
Kỹ thuât này cho phép xác định suy hao sợi quang, suy hao mối hàn, chỗ sợi bị đứt…chỉ ở tại một đầu mà khơng cần phải cắt sợi.
2.1.2.1 . Sự hình thành phản xạ và tán xạ ngược.
Phản xạ :
Khi ánh sáng truyền qua các khe khơng khí tại các vị trí sợi hỏng hoặc qua connector và đến cuối sợi, gặp mặt ngăn cách giữa sợi thủy tinh và khơng khí sẽ phản xạ (phản xạ Fresnel) với hệ số phản xạ (Reflection coefficient)
2 1 0 2 1 0 ( ) ( ) n n R n n (2.4)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ n0 .
Với : n1 = 1,5 và n0 = 1 thì :
R = 0,04 = 4% (hay -14dB)
Điều đĩ cĩ nghĩa là ở mặt phân cách (hoặc ở chỗ sợi bị đứt) cĩ 4% cơng suất quang phản xạ trở lại.
Nếu mặt cắt đầu cuối sợi quang nghiêng hoặc khơng nhẵn thì hệ số phản xạ thấp hơn.
:
P tr( ) RP0exp( 2 vt) (2.5)
Trong đĩ : R : Hệ số phản xạ. P0 : Cơng suất 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 n0 Xung phản xạ Hình 2.3. Phản xạ ở cuối sợi : . 2 V t S (2.6) Tán xạ ngƣợc:
Tán xạ ngƣợc là do chiết suất khúc xạ thay đổi dọc theo sợi quang. Tại những chỗ cĩ sự chênh lệch chiết suất khúc xạ thì ánh sáng bị tán xạ. Các tia tán xạ ngƣợc tỏa ra mọi hƣớng. Những tia tán xạ ngƣợc về phía nguồn quang cĩ phƣơng hợp với trục sợi một gĩc nhỏ hơn gĩc mở của sợi cĩ thể truyền về đầu sợi. (H.2.4)
Những tia sáng theo các hƣớng khác thì tiếp tục truyền về phía cuối sợi hoặc bị khúc xạ ra khỏi lõi tùy theo phƣơng của chúng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ P ts( ) S sv P0exp( 2 vt) (2.7)
Trong đĩ : S : Hệ số tán xạ ngƣợc. α0 : Hệ số tán xạ Rayleigh.
v : Vận tốc ánh sáng trong sợi.
Hình 2.4. Sự truyền tia tán xạ ngược.
τ : Độ rộng xung ánh sáng.
P0 : Cơng suất của xung ánh sáng tới. α : Độ suy hao trung bình của sợi quang. t : Thời gian.
:
Sợi đa mode chiết suất nhảy bậc (SI):
2 2 1 2 2 1 3 . 2 4 n n S
n n1 : chiết suất lõi sợi (2.8)
n2 : chiết suất lớp bọc
Sợi đa mode chiết suất giảm dần (GI) :
2 2 1 2 2 1 4 n n S n (2.9) Ví dụ : n1 = 1,46 n2 = 1,445 (∆ = 1%) Ta cĩ : S(SI) = 0,0076 ≈ 0,76% S(GI) = 0.00511 ≈ 0,51%
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ 2 1 0, 038 .2 S n p λ : bƣớc sĩng (2.10) 2p: đƣờng kính trƣờng mode Ví dụ : n1 = 1,46 2p = 9,3μm Ta cĩ : λ = 1,31 μm S = 0,0003537 ≈ 0,035% λ = 1,55 μm S = 0,0004951 ≈ 0,05%
2.1.2.2. Nguyên lý đo phản xạ và tán xạ ngược:
Hình 2.5. Nguyên lý đo phản xạ và tán xạ ngược
Xung đo đƣợc tạo ra từ bộ phát xung và đƣa vào điều chế với nguồn quang bán dẫn nhƣ diode phát quang LED hoặc diode laser LD. Xung quang đã 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 ngƣợc hoặc phản xạ trở lại đầu sợi tại những chỗ khơng đồng nhất trên đƣờng truyền.
Các tia phản xạ và tán xạ ngƣợc qua bộ ghép nối quang để vào diode tách quang và trị số của xung phản xạ và tán xạ ngƣợc đƣợc chỉ thị trên màn hình và đồng hồ đo.
Kết quả chỉ thị đƣợc thể hiện cả biên độ và thời gian từ lúc phát xung cho đến khi thu đƣợc xung quay trở lại. Khi sự phản xạ xuất hiện ứng với điểm nào đĩ trên sợi thì cĩ một xung đột biến. Tán xạ ngƣợc qua các mối hàn sẽ biểu thị suy hao nên đƣờng cong tại đĩ cĩ bậc thang.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
Hình 2.6. Sự thay đổi cơng suất quang theo chiều dài
2.2. QUY TRÌNH ĐO THỬ HỆ THỐNG CÁP QUANG: 2.2.1. Mục đính đo thử: 2.2.1. Mục đính đo thử:
Đo thử trên cáp quang đã lắp đặt nhằm các mục đính sau:
- Xác định xem tổng suy hao truyền dẫn cĩ thỏa mãn theo thiết kế khơng.
- Xác định xem khi lắp đặt cáp cĩ vấn đề gì ảnh hƣởng đến suy hao của sợi và quá trình hoạt động sau này của cáp khơng.
- Tìm các chỗ khơng đồng đều nhƣ mối hàn xấu, chỗ suy hao sợi lớn, chỗ khớp nối.
- Xác nhận các chỗ nối sợi và suy hao sợi để nhằm thiết kế các đoạn lặp trong tƣơng lai.
- Lập bảng số liệu chuẩn cho cơng tác bảo dƣỡng sau này
- Cung cấp thơng tin phản hồi để tối ƣu việc thiết kế, chế tạo và lắp đặt cáp - Tích lũy kinh nghiệm để tối ƣu cơng tác đo thử. Yêu cầu các phƣơng pháp đo phải an tồn, hiệu quả, giá thành thấp mà vẫn thực hiện đầy đủ các mục đích đo thử nhƣ trên.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
2.2.2. Các loại cơng tác đo thử:
2.2.2.1. Tổng quan:
Các phƣơng pháp đo thử hiểu theo nghĩa rộng khơng cĩ nghĩa là chỉ thuần túy các nội dung đo nhƣ suy hao, tán sắc, suy hao mối nối hoặc đặc tuyến suy hao trên máy OTDR mà cịn là những vấn đề liên quan, chẳng hạn phải thỏa mãn với các câu hỏi nhƣ: Tại sao phải đo, đo ở đâu, đo khi nào và cách thức đo nhƣ thế nào?
Những vấn đề đo thử trên các đoạn cáp theo độ dài chế tạo do các nhà sản xuất thực hiện khơng nêu ở đây. Nội dung đo ở đây áp dụng cho cơng tác đo thử ở hiện trƣờng trên cáp đã lắp đặt và trƣớc khi đấu vào các thiêt bị đầu cuối đƣờng dây.
2.2.2.2. Kinh nghiệm thực hiện
- Trong khi thi cơng các tuyến cáp, cơng tác đo thử cĩ thuận lợi hay khơng,