Đồ án tốt nghiệp Một số phương pháp đo các thông số của cáp sợi quang LỜI GIỚI THIỆU Trong những năm gần đây, các hệ thống thông tin được phát triển mạnh mẽ hơn bao giờ hết, đáp ứng được phần nào sự bùng nổ thông tin trên toàn thế giới. Các mạng thông tin điện 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 thông tin ngày càng tăng, đòi hỏi số lượng kênh truyền dẫn rất lớn, song các hệ thống truyền dẫn kể trên không tổ chức được các luồng kênh cực lớn. Đối với kỹ thuật thông tin quang, người ta đã có thể tạo ra được các hệ thống truyền dẫn tới vài chục Gb/s. Một số nước trên thế giới ngày nay, hệ thống truyền dẫn quang đã chiếm trên 50% toàn bộ hệ thống truyền dẫn. Xu hướng mới hiện nay của ngành Viễn thôngthế giới là cáp quang hoá hệ thống truyền dẫn nội hạt, quốc gia và đường truyền dẫn quốc tế. 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 thông số của nó quyết định các đặc tính truyền dẫn trên tuyến. Do đó, đòi hỏi phải xác định chính xác các thông số của nó. Thông thường, thông số của sợi quang đã được xác định do nhà sản xuất. Tuy nhiên, khi sử dụng nó trong thi công, lắp đặt, sử dụng… ta cũng cần đo đạc lại vài thông số cần thiết cho một tuyến cáp sợi quang như : suy hao toàn tuyến, suy hao trung bình, suy hao hàn nối, suy hao ghép, khoảng cách của cuộn cáp sử dụng, khoảng cách của toàn tuyến… Trong đó, quan trọng nhất là phải xác định một cách tương đối chính xác của sự cố xảy ra trên tuyến. Một trong các phương pháp để xác định của thông số trên đang được sử dụng rộng rãi là sử dụng thiết bị OTDR để đo. Trong bản đồ án này, nêu ra các phương pháp đo, trong đó giới thiệu các phương thức đo được bằng OTDR. Nguyễn Danh Tuấn Lớp 46K- ĐTVT 4 Đồ án tốt nghiệp Một số phương pháp đo các thông số của cáp sợi quang Với thời gian có hạn, kiến thức còn hạn hẹp, bản đồ án này còn có nhiều thiếu sót, rất mong có sự đóng góp của các thầy cô giáo và các bạn. Qua đây em xin chân thành cảm ơn cô giáo KS. Nguyễn Thị Minh đã tạo điều kiện, giúp đỡ và hướng dẫn em trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp Vinh, tháng 5 năm 2010 Sinh viên Nguyễn Danh Tuấn CHƯƠNG 1 : LÝ THUYẾT VỀ SỢI QUANG Nguyễn Danh Tuấn Lớp 46K- ĐTVT 5 Đồ án tốt nghiệp Một số phương pháp đo các thông số của cáp sợi quang 1.1. Tổng quan về thông tin quang 1.1.1. Sự phát triển của hệ thống thông tin quang Trải qua một thời gian dài từ khi con người sử dụng ánh sáng của lửa để làm phương tiện thông tin liên lạc đến nay lịch sử của thông tin quang đã qua những bước phát triển và hoàn thiện được ghi nhận bằng những mốc chính sau: - 1870: JOHN TYNDALL, nhà vật lý người Anh, đã chứng tỏ rằng ánh sáng có thể dẫn được theo vòi nước uốn cong. Thí nghiệm của ông đã sử dụng nguyên lý phản xạ toàn phần, điều này vẫn còn áp dụng cho sợi quang ngày nay. - 1880: ALEXANDER GRAHAM BELL, người Mỹ, giới thiệu hệ thống photophone, qua đó tiếng nói có thể truyền đi bằng ánh sáng trong môi trường không khí mà không cần dây. Tuy nhiên hệ thống này chưa được áp dụng trên thực tế vì còn quá nhiều nguồn nhiễu làm giảm chất lượng của đường truyền. - 1934: NORMAN R. FRENCH, kỹ sư người Mỹ, nhận được bằng sáng chế về hệ thống thông tin quang. Phương tiện truyền dẫn của ông là các thanh thuỷ tinh. - 1958: ARTHUR SCHAWLOW và CHARLES H. TOWNES, xây dựng và phát triển laser. - 1960: THEODOR H. MAIMAN đưa laser vào hoạt động thành công. - 1962: Laser bán dẫn và photodiode bán dẫn được thừa nhận. Vấn đề còn lại là phải tìm môi trường truyền dẫn quang thích hợp. - 1966: CHARLESH. KAO và GEORGEA. HOCKHAM, hai kỹ sư phòng thí nghiệm Standard Telecommunications của Anh, đề xuất việc dùng thuỷ tinh để truyền dẫn ánh sáng. - 1970: Hãng Corning Glass Works chế tạo thành công sợi quang loại SI có suy hao nhỏ hơn 20 db/km ở bước sóng 633 nm. - 1972: Loại sợi GI được chế tạo với độ suy hao 4 dB/km. - 1983: Sợi đơn mode (SM) được xuất xưởng ở Mỹ. Nguyễn Danh Tuấn Lớp 46K- ĐTVT 6 Đồ án tốt nghiệp Một số phương pháp đo các thông số của cáp sợi quang - Ngày nay sợi đơn mode được sử dụng rộng rãi, độ suy hao của loại sợi này chỉ còn khoảng 0,2 dB/km với bước sóng 1550 nm. 1.1.2. Cấu trúc và các thành phần chính trong tuyến truyền dẫn quang Cho tới nay, các hệ thống thông tin quang đã trải qua nhiều năm khai thác trên mạng lưới dưới cấu trúc truyền khác nhau. Nhìn chung, các hệ thống thông tin quang thường phù hợp hơn cho việc truyền dẫn tín hiệu số và hầu hết các quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang đều đi theo hướng này. Theo quan niệm thống nhất như vậy, ta có thế xem xét cấu trúc của tuyến thông tin quang bao gồm các thành phần chính như hình 1.1 dưới đây : Hình 1.1. Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang Các thành phần chính của tuyến gồm có phần phát quang, cáp sợi quang và phần thu quang. Phần phát quang được cấu tạo gồm có nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện điều khiển liên kết với nhau. Cáp sợi quang gồm có các sợi dẫn quang và các lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ khỏi tác động có hại từ môi trường bên ngoài. Phần thu quang do bộ tách sóng quang và các mạch khuếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành. Ngoài các thành phần chủ yếu này, tuyến thông tin quang còn có các bộ ghép nối quang (Connector). Các mối hàn, các bộ ghép nối quang, chia quang và trạm lặp, tất cả tạo nên một tuyến thông tin quang hoàn chỉnh. Tương tự như cáp đồng, cáp sợi quang được khai thác với những điều kiện lắp đặt khác nhau. Chúng có thể được treo ngoài trời, chôn trực tiếp dưới đất, kéo trong cổng, đặt dưới biển. Tuỳ thuộc vào các điều kiện lắp đặt khác Nguyễn Danh Tuấn Lớp 46K- ĐTVT 7 Bộ thu quang Mạch điều khiển Nguồn phát quang Đầu thu quang Chuyển đổi tín hiệu Tín hiệu điện vào Tín hiệu điện ra Bộ phát quang Sợi quang Đồ án tốt nghiệp Một số phương pháp đo các thông số của cáp sợi quang nhau mà độ dài chế tạo của cáp cũng khác nhau, có thể dài từ vài trăm mét tới vài kilomet. Tuy nhiên đôi khi thi công, các kích cỡ của cáp cũng phụ thuộc vào từng điều kiện cụ thể, chẳng hạn như cáp đượ kéo trong cống sẽ không thể cho phép dài được, cáp có độ dài khá lớn thường được dùng cho treo hoặc chôn trực tiếp. Các mối hàn sẽ kết nối các độ dài cáp thành độ dài tổng cộng của tuyến được lắp đặt. Sợi quang có cấu trúc rất mảnh. Nó được cấu tạo chủ yếu bằng vật liệu thuỷ tinh. Dạng của sợi quang là hình ống trụ gồm hai lớp thuỷ tinh lồng vào nhau và có độ đồng tâm cao. Đường kính của lõi dẫn ánh sáng vào khoảng 50µm đối với sợi đơn mode. Đường kính ngoài của lớp vỏ phản xạ thông thường vào khoảng 125µm cho cả 2 loại sợi. Có ba loại sợi quang là sợi đa mode chỉ số chiết suất phân bậc, sợi đa mode chỉ số chiết suất gradien, và sợi quang đơn mode. Tham số quan trọng nhất của cáp sợi quang tham gia quyết định độ dài của tuyến là suy hao sợi quang theo bước sóng. Đặc tuyến suy hao của sợi quang theo bước sóng tồn tại ba vùng mà tại đó có suy hao thấp là các vùng bước sóng 850nm, 1300nm, 1550nm. Ba vùng bước sóng này được sử dụng cho các hệ thống thông tin quang và gọi là các vùng cửa sổ thứ nhất, cửa sổ thứ hai và cửa sổ thứ ba tương ứng. Thiết bị phát quang có nhiệm vụ phát ánh sáng mang tín hiệu vào đường truyền sợi quang. Cấu trúc thiết bị phát quang gồm có nguồn phát quang, mạch điều khiển điện, và mạch tiếp nhận tín hiệu đầu vào. Nguồn phát quang ở thiết bị phát có thể sử dụng đioe phát quang (LED) hoặc Laser bán dẫn (LD). Tín hiệu ở đầu vào thiết bị phát ở dạng số hoặc đôi khi có dạng tương tự sẽ được tiếp nhận để đưa vào phần điều khiển. Mạch điều khiển thực hiện biến đổi tín hiệu điện dưới dạng điện áp thành xung dòng. Cuối cùng nguồn phát sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu điện này thành tín hiệu quang tương ứng và phát vào sợi quang. Hình 1.2 là sơ đồ khối của thiết bị phát quang. Nguyễn Danh Tuấn Lớp 46K- ĐTVT 8 Mã hoá Điều khiển Nguồn phát Tín hiệu vào Clock vào Sợi quang Đồ án tốt nghiệp Một số phương pháp đo các thông số của cáp sợi quang Hình 1.3. Sơ đồ thiết bị phát quang Tín hiệu ánh sáng đã được điều chế tại nguồn phát quang sẽ lan truyền dọc theo sợi dẫn quang để tới phần thu quang khi truyền trên sợi dẫn quang, tín hiệu ánh sáng thường bị suy hao và méo do các yếu tố hấp thụ, tán xạ, tán sắc gây nên. Bộ tách sóng quang ở phần thu thực hiện trực tiếp nhận ánh sáng và tách lấy tín hiệu từ hướng phát tới. Tín hiệu quang được biến đổi trực tiếp trở lại thành tín hiệu điện. Các photodiôt PIN và photodiode thác lũ APD đều có thể sử dụng làm các bộ tách sóng quang trong các hệ thống thông tin quang, cả hai loại này đều có hiệu suất làm việc cao và có tốc độ chuyển đổi nhanh. Các vật liệu bán dẫn chế tạo nênghiên cứuác bộ tách sóng quang sẽ quyết định bước sóng làm việc của chúng và đuôi sợi quang đầu vào của các bộ tách sóng quang cũng phải phù hợp với sợi dẫn quang được sử dụng trên tuyến lắp đặt. Yếu tố quan trọng nhất phản ánh hiệu suất làm việc của thiết bị thu quang là độ nhạy thu quang, nó mô tả công suất quang nhỏ nhất có thể thu được ở một tốc độ truyền dẫn số nào đó ứng với tỷ lệ lỗi bit của hệ thống; điều này tưng tự như tỷ số tín hiệu trên tạp âm ở các hệ thống truyền dẫn tương tự. Sau khi tín hiệu quang được tách tại bộ tách sóng quang, tín hiệu điện thu được tại đầu ra photodiode sẽ được khuếch đại và khôi phục trởvề dạng tín hiệu như ở đầu vào thiết bị phát. Như vậy sơ đồ của thiết bị thu quang sẽ có thể được mô tả như hình 1.4 sau : Hình 1.4. Sơ đồ thiết bị thu quang số 1.1.3. Những ưu điểm và ứng dụng của thông tin sợi quang Nguyễn Danh Tuấn Lớp 46K- ĐTVT 9 tách sóng photodiode Khuếch đại Điều chỉnh Quyết định Tín hiệu ra Clock ra Sợi quang Trích Clock Giải mã Đồ án tốt nghiệp Một số phương pháp đo các thông số của cáp sợi quang So với dây kim loại, sợi quang có nhiều ưu điểm đáng chú ý là : - Suy hao thấp : Cho phép kéo dài khoảng cách tiếp vận và do đó giảm được số trạm tiếp vận. - Dải thông tin rất rộng : có thể thiết lập hệ thống truyền dẫn tốc độ cao. - Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ : dễ lắp đặt và chiếm ít chỗ. - Hoàn toàn cách điện : không chịu ảnh hưởng của sấm sét. - Không bị can nhiễu bởi trường điện từ : vẫn hoạt động trong vùng có nhiễu điện từ mạnh. - Vật liệu chế tạo có rất nhiều trong thiên nhiên. Nói chung, dùng hệ thống thông tin sợi quang kinh tế hơn so với sợi kim loại với cùng dung lượng và cự ly. Sợi quang được ứng dụng trong thông tin và một số mục đích khác. Vị trí của sợi quang trong mạng lưới thông tin trong giai đoạn hiện nay bao gồm : - Mạng đường trục Quốc gia. - Đường trung kế. - Đường cáp thả biển liên quốc gia. - Đường truyền số liệu. - Mạng truyền hình. Và sắp tới, mạng viễn thông Việt Nam sẽ đưa vào sử dụng. - Thuê bao cáp sợi quang. - Mạng số đa dịch vụ ISDN. 1.2. Lý thuyết về sợi quang Nguyễn Danh Tuấn Lớp 46K- ĐTVT 10 Đồ án tốt nghiệp Một số phương pháp đo các thông số của cáp sợi quang 1.2.1. Khái niệm - Sợi quang là sợi mảnh, trong suốt dẫn ánh sáng, gồm phần lõi cho ánh sáng truyền qua và phần vỏ bao quanh. - Lõi có chiết suất lớn hơn vỏ 0.2% hoặc 0.3%. - Sợi quang có đường kính rất nhỏ, nhẹ đặc tính truyền dẫn cao. 1.2.2. Nguyên lý truyền anh sáng trong sợi quang Ánh sáng dùng trong thông tin quang nằm ở vùng cận hồng ngoại với bước sóng từ 800-1600 nm. Đặc biệt có 3 bước sóng thông dụng là 850 nm, 1300 nm, 1550 nm. 1.2.2.1. Chiết suất của môi trường Chiết suất của môi trường được xác định bởi tỷ số của vận tốc ánh sáng truyền trong chân không và vận tốc ánh sáng truyền trong môi trường ấy. V C n = n : Chiết suất của môi trường. C : Vận tốc ánh sáng trong chân không, đơn vị m/s. C = 3. 10 8 m/s V : vận tốc ánh sáng trong môi trường, đơn vị m/s. Vì V ≤ C nên n ≥ 1. Chiết suất của một môi trường phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng truyền trong nó. Các nguồn quang dùng trong thông tin quang phát ra anh sáng trong một khoảng hẹp chứ không phải chỉ có một bước sóng. Do đó vận tốc truyền của nhóm ánh sáng này được gọi là vận tốc nhóm V nh và chiết suất môi trường cũng được đánh giá theo chiết suất nhóm : n nh. λ λ d dn nn nh −= Nguyễn Danh Tuấn Lớp 46K- ĐTVT 11 Đồ án tốt nghiệp Một số phương pháp đo các thông số của cáp sợi quang 1.2.2.2. Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng Khi tia sáng truyền trong môi trường 1 đến mặt ngăn cách với môi trường 2 thì tia sáng tách thành 2 tia mới : Một tia phản xạ lại môi trường 1 và một tia khúc xạ sang môi trường 2. Tia phản xạ và tia khúc xạ quan hệ với tia tới như sau : - Càng nằm trong mặt phẳng tới (mặt phẳng chứa tia tới và pháp tuyến của mặt ngăn cách tại điểm tới). - Góc phản xạ bằng góc tới : θ’ 1 = θ 1 . - Góc khúc xạ được xác định từ công thức Snell : n 1 sinθ 1 = n 2 sinθ 2 . Hình 1.5. Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng 1.2.2.3. Sự phản sạ toàn phần Từ công thức Senll đã nêu trên ta thấy : - Nếu n 1 < n 2 thì θ 1 > θ 2 : Tia khúc xạ gãy về phía gần pháp tuyến - Nếu n 1 > n 2 thì θ 1 < θ 2 : Tia khúc xạ gãy về phía gần pháp tuyến hơn. Trường hợp n 1 > n 2 , nếu tăng θ 1 thì θ 2 cũng tăng và θ 2 luôn lớn hơn θ 1 . Khi θ 2 = 90 0 , tức tia khúc xạ song song với mặt tiếp giáp, thì θ 1 được gọi là góc tới hạn: θ th ; nếu tiếp tục tăng θ 1 > θ th thì không còn tia khúc xạ mà chỉ có tia phản xạ. Hiện tượng này được gọi là sự phản xạ toàn phần. Nguyễn Danh Tuấn Lớp 46K- ĐTVT 12 Tia khúc xạ Tia phản xạTia tới Môi trường 2: n 2 Môi trường 1: n 1 1’ 1’’1 2 2’ 3 3’ θ 2 θ th θ 1 Đồ án tốt nghiệp Một số phương pháp đo các thông số của cáp sợi quang Dựa vào định luật khúc xạ ánh sáng (công thức Snell) với θ 2 = 90 0 có thể tích được góc tới hạn θ th . 1 2 1 2 n n arcSinhay n n Sin thth == θθ 1.2.3. Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang 1.2.3.1. Nguyên lý truyền dẫn chung Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo gồm một lõi (core) bằng thuỷ tinh có chiết suất n 1 và một lớp vỏ phản xạ(Clalding) cũng bằng thuỷ tinh có chiết suất n 2 với n 1 > n 2 , ánh sáng truyền trong lõi sợi quang sẽ phản xạ đi phản xạ lại nhiều lần (phản xạ toàn phần) trên mặt tiếp giáp giữa lõi và lớp vỏ phản xạ . Do đó ánh sáng có thể truyền được trong sợi có cự ly dài ngay cả khi sợi bị uốn cong nhưng với một độ cong có giới hạn. Hình 1.6. Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang 1.2.3.2. Khẩu độ số NA Sự phản xạ toàn phần chỉ xảy ra đối với những tia sáng có góc tới ở đầu sợi nhỏ hơn góc tới hạn φ th (hình 1.7). Sin của góc tới hạn này được gọi là khẩu độ số, ký hiệu NA : NA = Sin φ th . Nguyễn Danh Tuấn Lớp 46K- ĐTVT 13 n 1 n 2 n Lớp bọc (cladding) n 2 Lõi (core) n 1