Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


ĐẠI HỌC THÁI NGUN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP






LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT





ĐO LƢỜNG THƠNG TIN CÁP SỢI QUANG





Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Học viên: ĐÀO THỊ HẰNG
Ngƣời HD Khoa học: PGS.TS. LẠI KHẮC LÃI

THÁI NGUN – 2012
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


ĐẠI HỌC THÁI NGUN
CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC
KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên
:
Đào Thị Hằng
Ngày tháng năm sinh
:
Ngày 05 tháng 08 năm 1980
Nơi sinh
:
Ninh Bình
Nơi cơng tác
:
Trƣờng Đại Học SPKT Nam Định
Cơ sở đào tạo
:

Trƣờng Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun
Chun ngành
:
Kỹ thuật điện tử
Khóa học
:
K13 - KTĐT


TÊN ĐỀ TÀI:
ĐO LƢỜNG THƠNG TIN CÁP SỢI QUANG


Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
PGS.TS Lại Khắc Lãi

Trƣờng Đại học KTCN Thái Ngun

Ngày giao đề tài: / /
Ngày hồn thành: / /

GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN



PGS.TS Lại Khắc Lãi
HỌC VIÊN




Đào Thị Hằng

BAN GIÁM HIỆU
KHOA SAU ĐẠI HỌC

i
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

LỜI CAM ĐOAN


Tên tơi là: Đào Thị Hằng
Học viên lớp Cao học khố 13- Kỹ thuật điện tử - Trƣờng ĐHKTCN Thái Ngun
Xin cam đoan: Đề tài: “Đo lƣờng thơng tin cáp sợi quang” là do tơi thực hiện
với sự hƣớng dẫn của PGS.TS. Lại Khắc Lãi. Đây khơng phải là bản sao chép của bất
kỳ một cá nhân, tổ chức nào.
Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về nội dung mà tơi đã trình bày trong luận
văn.
Thái Ngun, ngày tháng năm 2012
Học viên





Đào Thị Hằng
ii
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

LỜI CẢM ƠN


Trong suốt q trình học tập và làm luận văn tốt nghiệp, em đã nhận đƣợc sự
giúp đỡ tận tình của các thầy giáo, cơ giáo trong bộ mơn Điện tử viễn thơng - Khoa
Điện tử - Trƣờng Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun. Em xin bày tỏ lòng biết
ơn sâu sắc đến các thầy giáo, cơ giáo trong khoa Sau đại học, đặc biệt là thầy giáo
PGS.TS. Lại Khắc Lãi đã tận tình giúp đỡ, hƣớng dẫn em trong thời gian thực hiện đề
tài này, xin cảm ơn sự giúp đỡ, động viên của gia đình, bạn bè, đồng nghiệp trong suốt
thời gian qua.
Mặc dù đã cố gắng hết sức bản thân, song do điều kiện thời gian và kinh
nghiệm thực tế nên khơng thể tránh đƣợc thiếu sót. Vì vậy, em rất mong đƣợc sự đóng
góp ý kiến của các thầy giáo, cơ giáo và các bạn đồng nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn!
Tác giả luận văn



Đào Thị Hằng

iii
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU 1
CHƢƠNG 1: CÁC THƠNG SỐ CƠ BẢN CỦA SỢI QUANG 2
1.1. Sự suy hao của sợi quang 2
1.1.1. Định nghĩa 2

1.1.2. Các ngun nhân gây suy hao trên sợi quang 2
1.1.3. Đặc tuyến suy hao sợi quang: 9
1.2. Tán xạ sợi quang 10
1.2.1. Hiện tƣợng, ngun nhân và ảnh hƣởng của tán xạ 10
1.2.2. Mối quan hệ giữa tán xạ với độ rộng băng truyền dẫn và tốc độ truyền dẫn 11
1.2.3 . Các loại tán xạ 13
1.2.4. Ảnh hƣởng của sự trộn mode vào tán xạ mode trong sợi đa mode: 27
1.2.5. Nhận xét: 29
1.3. Đƣờng kính trƣờng mode 30
1.3.1. Sự phân bố cơng suất trƣờng gần (near – field): 31
1.3.2. Sự phân bố trƣờng trƣờng xa ( Far – field ): 32
1.4. Bƣớc sóng cắt 33
33
1.4.2. C¸c phơ thc cđa b-íc sãng c¾t 37
1.5. Các thơng số hình học 36
1.6. Các u cầu kỹ thuật đối với cáp quang 37
1.7. Kết luận chƣơng 1 38
CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO TRÊN SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG 39
2.1. Đo suy hao sợi quang 39
2.1.1. Đo suy hao theo phƣơng pháp hai điểm: 39
2.1.2. Đo suy hao theo phƣơng pháp đo tán xạ ngƣợc (Backscattering) 41
iv
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

2.2. Quy trình đo thử hệ thống cáp quang 45
2.2.1. Mục đính đo thử: 45
2.2.2. Các loại cơng tác đo thử: 46
2.2.3. Các phép đo: 46
2.3. Kết luận chƣơng 2 51
CHƢƠNG 3: ĐO SUY HAO BẰNG THIẾT BỊ OTDR 53

3.1. Thiết bị OTDR 53
3.1.1. Ngun lý hoạt động và sơ đồ tổng qt của máy đo OTDR 53
3.1.2. Các thơng số chính: 58
3.1.3. Các ứng dụng của máy đo quang dội OTDR: 60
3.2. Định giá sai số đo lƣờng 65
3.2.1. Ngun nhân và phân loại các sai số đo lƣờng 65
3.2.2. Sai số tuyệt đối và sai số tƣơng đối 67
3.2.3. Quy luật tiêu chuẩn phân bố sai số 68
3.2.4. Tiêu chuẩn đánh giá độ chính xác của kết quả đo lƣờng 70
3.3. Các ngun nhân gây sai số khi đo cự ly sợi quang 73
3.3.1. Ảnh hƣởng của chỉ số chiết quang đến phép đo 73
3.3.2. Ảnh hƣởng của độ rộng xung phát và dải động của OTDR 73
3.3.3. Ảnh hƣởng khi đặt vị trí con trỏ trên màn hình thiết bị OTDR 74
3.3.4. Ảnh hƣởng của sự sắp xếp sợi quang trong cáp 75
3.3.5. Ảnh hƣởng của sơ đồ hồn cơng khi xác định khoảng cách cáp 76
3.4. Đo thực nghiệm bằng thiết bị OTDR 77
3.4.1. Kết quả thực nghiệm đo đạc bằng thiết bị OTDR MW910C 77
3.4.2. Đánh giá kết quả 100
3.5. Kết luận chƣơng 3 100
KẾT LUẬN 101
TÀI LIỆU THAM KHẢO 102

v
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Suy hao do hấp thụ vùng cực tím và hồng ngoại 3
Hình.1.2: Độ hấp thụ của ion OH( với nồng độ 10
-6

) 4
Hình 1.3. Suy hao do tán xạ Rayleigh 5
Hình 1.4. Suy hao do ảnh hƣởng của uốn cong và vi uốn cong trên sợi quang 6
Hình 1.5. Suy hao do uốn cog thay đổi theo bán kính R 6
Hình 1.6. Suy hao mối hàn phụ thuộc góc nghiêng đầu sợi 7
Hình 1.7. Suy hao hàn nối do các yếu tố ngồi 8
Hình 1.8. Suy hao hàn nối do sự chênh lệch thơng số của 2 sợi 8
Hình 1.9. Độ suy hao do chênh lệch đƣờng kính và chiết suất 9
Hình 1.10. Các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu suất ghép quang 9
Hình 1.11. Đặc tuyến suy hao của sợi đơn mode 10
Hình 1.12. Ảnh hƣởng của tán xạ lên tín hiệu digital (a) và analog (b) 11
Hình 1.13. Hàm truyền đạt biên độ của sợi quang 12
Hình 1.14. Phổ bức xạ của LED và LD 13
Hình 1.15. Hệ số tán xạ vật liệu của các vật liệu 15
Hình 1.16. Sự phân bố năng lƣợng ánh sáng ở các bƣớc sóng khác nhau 18
Hình 1.17. So sánh tia dài nhất và tia ngắn nhất trong sợi SI 19
Hình 1.18. Sự phụ thuộc của tham số mặt cắt vào bƣớc sóng 22
. 23
Hình 1.20. Tán sắc tổng cộng của sợi quang đơn mode 24
Hình 1.21. Tán sắc sắc thể của một số loại sợi 26
Hình 1.22. Sự thay đổi đƣờng đi các tia sáng 27
Hình 1.23. Sự phụ thuộc của tán xạ mode vào sự trộn mode 28
Hình 1.24. Quan hệ B
m
và độ dài L 29
Hình 1.25. Sự phân bố của trƣờng mode cơ bản 30
Hình 1.26. Sự phân bố của trƣờng mode 31
Hình 1.27. Phân bố cơng suất trƣờng gần 32
Hình 1.28. Phân bố cơng suất trƣờng xa 32
vi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Hình 1.29. Bƣớc sóng cắt là một hàm của độ dài sợi 35
Hình 1.30. B-íc sãng c¾t
C
tïy thc vµo: (a) b¸n kÝnh n cong; (b) chiỊu dµi sỵi 35
Hình 1.31. Dạng hình học của sợi quang 36
Hình 2.1. Đo suy hao theo phƣơng pháp cắt sợi. 39
Hình 2.2. Đo suy hao theo phƣơng pháp xen thêm suy hao 40
Hình 2.3. Phản xạ ở cuối sợi 42
Hình 2.4. Sự truyền tia tán xạ ngƣợc. 43
Hình 2.5. Ngun lý đo phản xạ và tán xạ ngƣợc 44
Hình 2.6. Sự thay đổi cơng suất quang theo chiều dài 45
Hình 2.7. Phản xạ ở khớp nối 47
Hình 2.8. Sơ đồ đấu nối máy đo OTDR kiểm tra mối hàn giá ODF. 47
Hình 2.9. Sơ đồ đấu nối máy đo OTDR kiểm tra mối hàn măng xơng 48
Hình 2.10. Sơ đồ đo suy hao tuyến cáp. 50
Hình 2.11. Sơ đồ đo nghiệm thu suy hao tồn trình. 50
Hình 3.1. Sơ đồ tổng qt của máy đo OTDR 54
Hình 3.2. Cơng suất phản xạ của một sợi đồng nhất 55
Hình 3.3 Sự biến thiên của cơng suất phản xạ qua các chƣớng ngại vật khác nhau 55
Hình 3.4 Sơ đồ phân bố cơng suất quang của một máy OTDR. 60
Hình 3.5. Đồ thị phân bố suy hao trên tuyến 61
Hình 3.6. Xác định chỗ bị đứt bằng cách dùng OTDR đo từ hai phía 62
Hình 3.7. Suy hao của mối hàn và khớp nối 63
Hình 3.8. Suy hao của mối hàn đo theo hai chiều 63
Hình 3.9. Dùng một OTDR để đo suy hao mối hàn theo hai chiều 64
Hình 3.10. Kiểm tra thứ tự mối hàn bằng OTDR 64
Hình 3.11. Biểu đồ phân bố tần suất 69
Hình 3.12. Giản đồ của v theo x 69

Hình 3.13 Giản đồ phân bố cung sin hay quy luật phân bố tam giác 69


1
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

MỞ ĐẦU

Ngày nay hệ thống thơng tin phát triển mạnh như hũ bão, để đáp ứng được phần
nào sự bùng nổ thơng tin trên tồn thế giới. Các mạng thơng tin 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 thơng tin ngày càng tăng, đòi hỏi số
lượng kênh truyền dẫn rất lớn, song các hệ thống truyền dẫn kể trên khơng tổ chức được
các nguồn kênh cực lớn.
Một số nước trên thế giới ngày nay, hệ thống truyền dẫn quang đã chiếm đa số
trên tồn bộ hệ thống truyền dẫn. Xu hướng mới hiện nay của ngành Viễn thơng thế giới
là cáp quang hóa hệ thống truyền dẫn nội hạt, quốc gia, và đường truyền dẫn quốc tế.
Đối với Việt Nam chúng ta, với chính sách đi thẳng vào cơng nghệ hiện đại, trong
những năm qua, ngành Bưu điện Việt Nam đã hồn thành số hóa mạng lưới truyền dẫn
liên tỉnh, xây dựng và đưa vào sử dụng hệ thống truyền dẫn quang Quốc Gia 2,5Gb/s với
cấu hình ring. Trong giai đoạn hiện nay, Ngành đang chủ trương cáp quang hóa mạng
thơng tin nội hạt, mạng trung kế liên đài… do những ưu điểm siêu việt của cáp sợi quang.
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 thơng số của nó quyết định các đặc tính
truyền dẫn trên tuyến. Do đó, đòi hỏi phải xác định chính xác các thơng số của nó.
Thơng thường, thơng số của sợi quang đã được xác định do nhà sản xuất. Tuy
nhiên khi sử dụng nó, trong thi cơng, lắp đặt, sử dụng… ta cũng cần đo đạc lại các thơng
số cần thiết cho một tuyến cáp sợi quang như: Suy hao tồn tuyến, suy hao trung bình, suy
hao hàn nối, suy hao ghép, khoảng cách của cuộn cáp sử dụng, khoảng cách của tồn
tuyến, … Trong đó, quan trọng nhất là phải xác định một cách tương đối chính xác sự cố

sảy ra trên tuyến.
Một trong những phương pháp để xác định các thơng số trên đang được sử dụng
rộng rãi là sử dụng thiết bị OTDR để đo. Trong bản luận văn này, nêu ra các phương
pháp đo, trong đó giới thiệu các phương thức đo được bằng OTDR, đồng thời cũng nêu
ra những yếu tố ảnh hưởng đến sai số của phép đo.
Với thời gian có hạn, kiến thức còn hạn hẹp, bản luận văn này còn có nhiều thiếu
sót, rất mong được sự đóng góp của các thày cơ giáo.

2
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

CHƢƠNG 1: CÁC THƠNG SỐ CƠ BẢN CỦA SỢI QUANG

1.1. SỰ SUY HAO CỦA SỢI QUANG
1.1.1. Định nghĩa
Cơng suất quang truyền trên sợi sẽ giảm dần theo cự ly với quy luật hàm số mũ
tƣơng tự nhƣ tín hiệu điện. Biểu thức tổng qt của hàm số truyền cơng suất có
dạng:
P
10
.
100
L
xPL
(1.1)
Trong đó : P(0): Cơng suất ở đầu sợi (L = 0)
P(L): Cơng suất ở cự ly L (Km) tính từ đầu sợi
: Hệ số suy hao

Cơng suất quang truyền trên sợi quang

Độ suy hao của sợi đƣợc tính bởi:
A(dB) =10lg
2
1
P
P
(1.2)
Trong đó :
1
P
= P(0) : Cơng suất đƣa vào đầu sợi

)(
2
LPP
: Cơng suất ở cuối sợi
Hệ số suy hao trung bình:

)(
)(
)/(
KmL
dBA
KmdB
(1.3)
Trong đó : A: suy hao của sợi
L: chiều dài của sợi
1.1.2. Các ngun nhân gây suy hao trên sợi quang
Các kết quả nghiên cứu cho thấy cơng suất quang truyền trên sợi bị thất thốt do hấp
thụ, tán xạ ánh sáng và khúc xạ qua chỗ sợi bị uốn cong. Ngồi ra, còn có thể kể thêm

suy hao do hàn nối và do hiệu suất ghép quang.
3
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

1.1.2.1. Suy hao do hấp thụ
Do tự hấp thụ ( hấp thụ bằng cực tím và hồng ngoại )
Do có cấu tạo vỏ điện tử bao và do mối liên quan giữa năng lƣợng và tần số bức xạ
quang, nên các ngun tử của vật liệu sợi cũng phản ứng với ánh sáng theo đặc tính
chọn lọc bƣớc sóng.
Nhƣ thế, vật liệu cơ bản chế tạo sợi quang sẽ cho ánh sáng qua tự do trong một giải
bƣớc sóng xác định với suy hao rất bé hoặc hầu nhƣ khơng suy hao. Còn ở các bƣ
, quang năng bị hấp thụ và chuyển hóa
thành nhiệt năng.
Thủy tinh Silica (Si
2
O
) hiện nay đƣợc sử dụng để chế tạo sợi quang có các đỉnh
cộng hƣởng nằm trong vùng viễn hồng ngoại 10
m
đến 20
m
, khá xa vùng bƣớc
sóng sử dụng hiện nay cho thơng tin quang là từ 0,8
m
đến 1,6
m
hoặc trong vùng
lân cận.
Tuy vậy, hiện tƣợng cộng hƣởng hấp thụ hồng ngoại cũng còn ảnh hƣởng suy hao
ở các bƣớc sóng gần phía trên bƣớc sóng 1,6

m
. Ngƣời ta thấy rằng từ bƣớc sóng
1,6
m
trở lên thì suy hao tăng rất nhanh theo bƣớc sóng.
Nhƣ vậy bản thân thủy tinh tinh khiết cũng hấp thụ ánh sáng trong vùng cực tím và
vùng hồng ngoại. Độ hấp thụ thay đổi theo bƣớc sóng nhƣ hình 1.1. Sự hấp thụ trong
vùng hồng ngoại gây trở ngại cho khuynh hƣớng sử dụng các bƣớc sóng dài trong
thơng tin quang.

Hình 1.1: Suy hao do hấp thụ vùng cực tím và hồng ngoại
Do hấp thụ của ion OH:
Sự có mặt của các ion OH của nƣớc còn sót l i trong vật liệu khi chế tạo cũng tạo
ra một độ suy hao hấp thụ đáng kể. Độ hấp thụ của ion OH chủ yếu ở bƣớc sóng
4
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

2700nm nằm ngồi vùng bƣớc sóng dùng trong thơng tin quang từ 850nm đến
1600nm…Ngồi ra, độ hấp thụ tăng vọt ở các bƣớc sóng 950nm, 1250nm và 1383nm.
Nhƣ vậy, độ ẩm là một trong những ngun nhân gây suy hao của sợi quang.
Trong q trình chế tạo, nồng độ của các ion OH trong lõi sợi đƣợc giữ ở mức dƣới
một phần tỷ (
9
10
) để giảm độ hấp thụ của nó và các sợi có chất lƣợng cao chỉ còn
đỉnh tiêu hao ở bƣớc sóng 1250nm và 1383nm.

Hình.1.2: Độ hấp thụ của ion OH( với nồng độ 10
-6
)

1.1.2.2. Suy hao do tán xạ ánh sáng
Tán xạ Rayleigh:
Nói chung, khi sóng điện từ truyền trong mơi trƣờng điện mơi gặp những chỗ
khơng đồng nhất sẽ xảy ra hiện tƣợng tán xạ. Những chỗ khơng đồng nhất trong sợi
quang do cách sắp xếp của các phân tử thủy tinh, các khuyết tật của sợi nhƣ: Bọt
khơng khí, các vết nứt … khi kích thƣớc của vùng khơng đ ng nhất vào khoảng 1/10
bƣớc sóng thì chúng trở thành những nguồn điểm để tán xạ. Các tia sáng truyền qua
nhữ ng nhất này sẽ tỏa ra nhiều hƣớng. Chỉ một phần năng lƣợng ánh
sáng truyền theo hƣớng cũ, phần còn lại truyền theo các hƣớng khác thậm chí truyền
ngƣợc về phía nguồn quang.
Một đặc tính quan trọng của tán xạ Rayleigh là tỉ lệ nghịch với lũy thừa bậc 4 của
bƣớc sóng (
4
) nên giảm rất nhanh về phía bƣớc sóng dài nhƣ hình 1.3

4
0
0txtx
(1.4)
Trong đó:
0tx
là hệ số tán xạ bƣớc sóng mẫu
0
, xác định theo vật liệu chế tạo sợi.
Đối với thủy tinh Silica (Si
2
0
) thì có
0
= 1

m
và
0tx
= 0,8 dB/Km.
5
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Hình 1.3. Suy hao do tán xạ Rayleigh

Ở bƣớc sóng 850nm suy hao do tán xạ Rayleigh của sợi Silica khoảng 1 đến 2
dB/Km và ở bƣớc sóng 1300 nm suy hao chỉ khoảng 0,3 dB/Km, ở bƣớc sóng
1550nm suy hao này còn thấp hơn nữa.
Cần lƣu ý rằng, tán xạ Rayleigh là một ngun nhân gây suy hao cho sợi quang
nhƣng hiện tƣợng này lại đƣợc ứng dụng để đo lƣờng trong các máy đo quang dội.
Tán xạ do mặt phân cách giữa lõi và lớp bọc khơng hồn hảo:
Khi tia s đến những chỗ khơng hồn hảo giữa lõi và lớp bọc tia sáng sẽ
bị tán xạ. Lúc đó, một tia tới sẽ có nhiều tia phản xạ với các góc phản xạ khác nhau.
Những tia có góc phản xạ nhỏ hơn g tới hạn sẽ khúc xạ ra lớp bọc và bị suy hao dần.
1.1.2.3. Suy hao do sợi bị uốn cong:
Việc uốn cong sợi cũng gây ra suy hao ánh sáng truyền trong sợi. Đây là một
cơ chế suy hao quan trọng vì nó hồn tồn phụ thuộc vào ngƣời sử dụng.
Vi uốn cong ( Micro bendding)
Khi sợi quang bị ch n ép tạo nên những chỗ uốn cong nhỏ (biên độ uốn cong
khoảng vài mm) thì suy hao của sợi cũng tăng lên. Sự suy hao này xuất hiện do tia
sáng bị lệch trục khi đi qua những chỗ vi uốn cong đó. Một cách chính xác hơn sự
phân bố trƣờng bị xáo trộn khi đi qua những chỗ vi uốn cong và dẫn tới một phần năng
lƣợng ánh sáng phát xạ ra khỏi lõi sợi, đi trong lớp bọc (cladding) và suy giảm dần
theo hàm số mũ. Độ lớn suy hao phụ thuộc vào độ dài đoạn ghép Lg.
Đặc biệt, sợi đơn mode rất nhạy với những chỗ vi uốn cong, nhất là về bƣớc

sóng dài.
6
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Hình 1.4. Suy hao do ảnh hưởng của uốn cong và vi uốn cong trên sợi quang
Uốn cong ( Macro bendding)
Khi sợi bị uốn cong với bán kính uốn cong càng nhỏ thì suy hao càng tăng
(Hình 1.5). Tuy nhiên khơng thể tránh đƣợc việc uốn cong sợi quang trong q trình
chế tạo và lắp đặt. Song nếu giữ cho bán kính uốn cong lớn hơn một bán kính tối thiểu
cho phép thì suy hao do uốn cong khơng đáng kể, ngƣời ta quy định bán kính uốn cong
tối thiểu R:

2
3
2
2
2
1
2
1
)(4
3
nn
n
R
(1.5)
Do đó cần chú ý đến bán kính uốn cong tối thiểu của sợi để khơng tăng suy hao. Bán
kính uốn cong tối thiểu do nhà sản xuất đề nghị thơng thƣờng từ 30mm đến 50mm.


Hình 1.5. Suy hao do uốn cog thay đổi theo bán kính R
Độ suy hao do uốn cong có thể đƣợc tính theo cơng thức:

)./(2
2
log10
Rg
g
bend
(1.6)
Trong đó : : Độ lệch chiết suất ( index elevation)
7
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

R : Bán kính uốn cong
a : Bán kính lõi
g : Tham số mặt cắt
1.1.2.4. Suy hao do hàn nối:
Khoảng cách giữa hai trạm thơng tin quang thƣờng kéo dài hơn chiều dài của
một cuộn cáp và nhất thiết cần phải nối các sợi quang của hai cuộn cáp với nhau. Có
nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến độ suy hao của mối hàn, có thể xếp thành ba loại chính:
- Chất lƣợng mặt cắt đầu sợi quang
- Vị trí tƣơng đối giữa hai đầu sợi quang
- Thơng số của hai sợi
Chất lượng mặt cắt ở hai đầu sợi
Suy hao của mối hàn trƣớc tiên phụ t
. Các u cầu đối với mặt cắt là:
+ Mặt cắt phẳng, khơng mẻ, khơng lồi ở mép (ba via).
+ Mặt cắt khơng dính bụi, các chất bẩn
+ Mặt cắt phải vng góc với trục của sợi

Góc nghiêng của mặt cắt càng lớn thì suy hao mối hàn càng cao (Hình 1.6).
Trên thực tế góc nghiêng vào khoảng
0
1
đến
0
3
.

Hình 1.6. Suy hao mối hàn phụ thuộc góc nghiêng đầu sợi
Vị trí tương đối giữa hai đầu sợi.
Suy hao mối hàn phụ thuộc vào vị trí tƣơng đối giữa hai đầu sợi, còn gọi là các
yếu tố ngồi, bao gồm:
+ Lệch trục: Trục của hai sợi khơng song song nhau
+ Lệch tâm: Tâm của hai mặt cắt đầu sợi khơng trùng nhau
+ Khe hở: Đầu hai sợi khơng khít nhau
8
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Độ suy hao của mối hàn phụ thuộc vào các yếu tố ngồi nhƣ trên hình 1.7

Hình 1.7. Suy hao hàn nối do các yếu tố ngồi

Các thơng số của hai sợi:
Nếu hai sợi đƣợc chuẩn bị cẩn thận điều chỉnh chính xác nhƣng có thơng số
khác nhau thì suy hao hàn nối vẫn cao. Do khác biệt về các thơng số sau sẽ gây suy
hao lớn cho mối hàn:
+ Đƣờng kính sợi (đƣờng kính lõi, đƣờng kính trƣờng mode)
+ Độ méo elip
+ Khẩu độ số (NA) hay góc mở đầu sợi

2sin
1max
nNA
(1.7)

Hình 1.8. Suy hao hàn nối do sự chênh lệch thơng số của 2 sợi


9
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Hình 1.9. Độ suy hao do chênh lệch đường kính và chiết suất

1.1.2.5. Suy hao do hiệu suất ghép quang
Hiệu suất ghép quang đƣợc tính bởi tỷ số cơng suất quang ghép vào sợi quang
với cơng suất phát quang tổng cộng của nguồn quang. Hiệu suất ghép quang càng lớn
thì cơng suất quang ghép vào càng nhiều và ngƣợc lại.
Hiệu suất ghép phụ thuộc vào kích thƣớc vùng phát quang, góc phát quang của
nguồn, góc thu nhận (NA) của sợi quang, vị trí đặt nguồn quang với sợi quang.

Hình 1.10. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất ghép quang
Để tăng hiệu suất ghép quang, ngƣời ta có thể dùng ghép giữa cách nguồn
quang, hoặc nung chảy đầu sợi quang thành dạng cầu.
1.1.3. Đặc tuyến suy hao sợi quang:
Đặc tuyến suy hao của sợi quang khác nhau tùy theo chủng loại sợi nhƣng tất cả
đều thể hiện đƣợc các đặc tính suy hao chung nhƣ đã phân tích. Một đặc tuyến điển
hình của loại sợi đơn mode nhƣ hình 1.11.
10
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu



Hình 1.11. Đặc tuyến suy hao của sợi đơn mode

Cần lƣu ý rằng, trên đặc tuyến suy hao của sợi quang có 3 vùng bƣớc sóng có
suy hao thấp, còn gọi là 3 cửa sổ suy hao:
- Cửa sổ thứ nhất có bước sóng 850nm: Đƣợc xem là bƣớc sóng có suy hao thấp
nhất đối với những sợi quang đƣợc chế tạo trong giai đoạn đầu. Suy hao trung bình ở
bƣớc sóng này từ 2
3
dB/km. Ngày nay bƣớc sóng này ít đƣợc dùng vì suy hao ở đó
chƣa phải là thấp nhất.
- Cửa số thứ hai có bước sóng 1300nm: Suy hao ở bƣớc sóng này tƣơng đối thấp
khoảng 0,4 0,5dB/km. Đặc biệt, ở bƣớc sóng này có tán sắc rất thấp (sẽ phân tích
trong những phần sau) nên đang đƣợc sử dụng rộng rãi hiện nay.
- Cửa sổ thú ba có bước sóng 1550nm: Cho đến nay suy hao ở bƣớc sóng này là
thấp nhất, có thể dƣới 0,2dB/km. Trong những sợi ở
bƣớc sóng 1550nm lớn hơn so với ở bƣớc sóng 1300nm. Nhƣng với loại sợi có dạng
phân bố chiết suất đặc biệt, có thể giảm độ tán sắc ở bƣớc sóng 1550nm. Lúc đó, sử
dụng cửa số thứ ba sẽ có đƣợc cả hai lợi điểm: Suy hao thấp và tán sắc nhỏ. Bƣớc sóng
1550nm đƣợc sử dụng rộng rãi các tuyến cáp quang thả biển.
1.2. TÁN XẠ TRONG SỢI QUANG
1.2.1. Hiện tƣợng, ngun nhân và ảnh hƣởng của tán xạ
Khi truyền dẫn các tín hiệu digital qua sợi quang, sẽ xuất hiện hiện tƣợng giãn
rộng các xung ánh sáng ở đầu thu, thậm chí trong một số trƣờng hợp, các xung lân cận
11
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

đè lên nhau, và khi đó ta khơng phân biệt đƣợc các xung với nhau nữa, gây méo tín
n xung đƣợc gọi là hiện tƣợng tán xạ.

Ngun nhân chính của hiện tƣợng tán xạ là do ảnh hƣởng của sợi quang mà
tồn tại các thời gian chạy khác nhau cho các thành phần ánh sáng phát đi đồng thời.
Tán xạ ảnh hƣởng rất quan trọng đến chất lƣợng truyền dẫn, cụ thể nhƣ sau:
Khi truyền tín hiệu (digital), trong miền thời gian nó gây ra giãn rộng các
xung ánh sáng.
Khi truyền tín hiệu (analog) thì ở đầu thu tín hiệu bị giảm nhỏ (tới giá
trị A
E
trên hình 1.12 b) và có hiện tƣợng dịch pha. Độ rộng băng truyền dẫn của
sợi do đó bị giới hạn

Hình 1.12. Ảnh hưởng của tán xạ lên tín hiệu digital (a) và analog (b)
(S chỉ tín hiệu phát , E chỉ tín hiệu thu )
a) Giãn xung b) Sụt biên độ
1.2.2. Mối quan hệ giữa tán xạ với độ rộng băng truyền dẫn và tốc độ truyền dẫn
Ở đây xem xét trƣờng hợp điển hình khi truyền dẫn tín hiệu digital. Một cách
gần đúng, coi xung phát có độ rộng τ
s
và xung thu có độ rộng τ
E
có dạng theo quy luật
phân bố Gausss (xung hình chng). Độ rộng xung tính ở mức biên độ bằng một nửa
biên độ lớn nhất (Hình 1.12)
Khi thu về xung bị giãn rộng do tán xạ, với độ giãn rộng (thời gian) là τ

đƣợc
tính theo cơng thức:
τ =
22
ES

(1.8)
Trƣờng hợp xung phát rất hẹp τ
s
<< τ
E
thì có thể coi gần đúng: τ ≈ τ
E
Độ giãn xung τ theo 1.8 thể hiện mức độ tán xạ tín hiệu do sợi gây ra và nó có
ảnh hƣởng đến độ rộng băng truyền dẫn và tốc độ truyền bit.
12
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Trƣờng hợp cơng suất ánh sáng thay đổi theo quy luật hình sin, sợi quang đƣợc
coi gần đúng nhƣ bộ lọc thấp với hàm truyền đạt Gauss. Hàm truyền đạt biên độ là:
H(f) =
()
( 0)
Pf
Pf


= e
-3,5.τ
2
.f
2
(1.9)
với P~ (f) là cơng suất xoay chiều ở tần số f
Các xung ánh sáng có phân bố Gauss truyền đƣa qua sợi quang thì biên độ giảm
theo quy luật:

P = P
max
.e
2
2
0,36
t
(1.10)

Xét đặc tính truyền dẫn của sợi nhờ hình vẽ (1.13)
Khi biên độ của hàm H(f) giảm còn một nửa biên độ lớn nhất (tƣơng ứng giảm
3dB), ngƣời ta nhận đƣợc tần số f
B
(ở mức 3dB), và định nghĩa độ rộng băng truyền
dẫn B = f
B
(từ f = 0 đến f = f
B
). Thay giá trị
()Hf
= 0,5 vào (1.9) nhận đƣợc B:
B =
1 0,44
2,26.
(1.11)

Hình 1.13. Hàm truyền đạt biên độ của sợi quang
Trong thực tiễn, nếu có nhiều hiện tƣợng tán xạ cùng tác động gây méo xung
thể hiện qua các giá trị giãn xung thành phần
21

,
…, thì có tán xạ tổng cộng thể hiện
là tổng:

2
2
2
1
2
… (1.12)
Nếu tƣơng ứng với
21
,
… có các giá trị
21
,BB
… thì độ rộng băng truyền dẫn
của sợi khi có tác động tổng hợp của hiện tƣợng tán xạ khác nhau là B và tính theo
cơng thức:

2
1
B
=
2
1
1
B
+
2

2
1
B
+ (1.13)
13
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Ngƣời ta cũng định nghĩa một đại lƣợng đặc trƣng cho dung lƣợng truyền dẫn
của sợi quang là tốc độ bit có thể truyền dẫn lớn nhất C (bit/s)
Do ảnh hƣởng của tán xạ, các xung ở đầu vào máy thu bị giãn rộng, nhƣng hai
xung kề nhau còn đủ phân biệt đƣợc khi độ giãn xung còn nhỏ hơn độ giãn xung s
của xung phát đi, từ đó tốc độ Bit là:

BBC 2.26,2
1
(1.14)
Nhƣ vậy độ giãn xung , độ rộng băng tần truyền dẫn B và tốc độ Bit C có
quan hệ ảnh hƣởng nhau. Để truyền đƣợc 2 bit/s theo (1.14) cần có độ rộng bằng
khoảng 1Hz trên thực tế để truyền đƣợc 2 bit/s cần có độ rộng bằng khoảng 1,6 Hz. Do
đó trên thực tế có thể nói rằng tốc độ truyền bit lớn nhất của sợi quang bằng độ rộng
băng tần truyền dẫn.
Muốn sợi có độ rộng băng truyền dẫn và tốc độ bit lớn thì phải giảm nhỏ ảnh
hƣởng của tán xạ đến mức thấp nhất để có độ giãn xung bé nhất.
1.2.3 . Các loại tán xạ
1.2.3.1. Tán xạ vật liệu
Vì chiết suất của vật liệu thủy tinh chế tạo sợi thay đổi theo bƣớc sóng của tín
hiệu lan truyền, tức là n = n . Nếu nguồn bức xạ quang phát ra sóng ánh sáng với
duy nhất một bƣớc sóng
0
thì khơng có hiện tƣợng lệch về thời gian truyền dẫn giữa

các thành phần của xung ánh sáng vì chúng lan truyền theo cùng vận tốc.
v = c/n(
0
) = const

Hình 1.14. Phổ bức xạ của LED và LD
Thế nhƣng các nguồn phát quang nhƣ LED hoặc diode Laser thƣờng khơng chỉ
bức xạ ra một vạch phổ ứng với bƣớc sóng
0
mà chúng còn bức xạ ra một dải phổ
14
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

quanh ở bƣớc sóng
0
ở mức biên độ 0,5 nhƣ (Hình1.14). Trong đó, phổ của diode
phát quang (LED) là phổ liên tục gồm vơ số vạch phổ, còn trong đƣờng bao phổ của
diode Laser cũng gồm một số vạch phổ, nằm giữa hai bƣớc sóng rìa là:

2/
01

và
2/
02
.
Vận tốc pha của mỗi bƣớc sóng trong dải phổ sẽ biến đổ theo bƣớc sóng:

1
n

c
VV
phph
(1.15)
Vận tốc nhóm thay đổi theo chiết suất nhóm
g
n
:

1
1
g
g
n
c
V
và
2
2
g
g
n
c
V

Với
1
nn
g


Ta có :
d
dn
n
c
n
c
V
g
g
1
1
(1.16)
Nếu
12 gg
nn
thì ta có vg
1
> vg(λ
2
). Do đó khi truyền dẫn qua đoạn sợi
quang dài L thì hai xung ánh sá ng với λ
1
và λ
2
có thời gian truyền nhóm
1g
t
và
2g

t

lệch nhau
n
t
:

L
vv
t
gg
n
.
11
21
(1.17)
Thay (1.16) vào ta có :

LDL
dn
c
t
n

2
10
(1.18)
Hệ số
)(D
đƣợc định nghĩa là hệ số tán xạ vật liệu:


)(
)(
2
10
dn
c
DD
mat
(1.19)
Đơn vị đo là [ps/Km.nm]. Hệ số tán xạ vật liệu
mat
D
phụ thuộc vào vật liệu, cho
biết thời gian lan truyền xung ánh sáng trên một Km sợi quang với phổ bức xạ của
nguồn quang rộng 1nm. Khi
2
1
2
/dnd
mang giá trị (+) thì những thành phần bƣớc
15
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

sóng dài hơn trong dải sẽ truyền nhanh hơn những thành phần bƣớc sóng ngắn hơn
và ngƣợc lại . Chính sự chênh lệch này sẽ gây ra méo xung.
Độ giãn xung ánh sáng ở đầu vào máy thu chính là độ lệch thời gian truyền
nhóm:
τ = │∆tn│= D(λ).∆λ.L = τ
‟

.L (1.20)
Trong đó τ
‟
là độ giãn xung khi truyền qua độ dài 1Km.
Vì độ giãn xung τ (tán xạ) gây nên méo xung truyền dẫn, nên nó vừa hạn chế cự
ly truyền, vừa hạn chế băng truyền dẫn, nên để đánh giá năng lực truyền dẫn của các
loại sợi quang có tán xạ, ngƣời ta đƣa ra đại lƣợng đặc trƣng là tích số độ rộng băng
truyền và cự ly truyền dẫn BL.

,
,
.26,2
1
.
.26,2
1
LLBB
(1.21)
Rõ ràng độ giãn xung trên một kilomet thể hiện năng lực truyền dẫn của sợi.
Trên (H.1.15) cho thấy sự phụ thuộc của D vào bƣớc vật liệu là thủy
tinh thạch anh (Si0
2
) thuần và thủy tinh thạch anh có pha hoạt chất Ge0
2
.

Hình 1.15. Hệ số tán xạ vật liệu của các vật liệu

Theo hình (1.15) ngƣời ta thấy ở bên cạnh sát bƣớc sóng 1,3µm thì thủy tinh
thạch anh có giá trị D = 0. Hay có thể nói ở vùng bƣớc sóng 1,3 µm thì khơng có tán

xạ vật liệu và ở bƣớc sóng 1,3 µm thì thủy tinh thạch anh cũng có tiêu hao rất bé, do
đó mà cửa sổ truyền dẫn thứ hai quanh bƣớc sóng 1,3 µm thƣờng đƣợc chọn cho các
hệ thống truyền đƣờng dài với dung lƣợng lớn. Vì ở vùng này khơng có tán xạ vật liệu,
khơng sợ ảnh hƣởng đến độ rộng băng truyền dẫn, chỉ cần chú ý đến tiêu hao tín hiệu,
do vậy nếu có diode phát quang có cơng suất phát đủ lớn thì ta có thể sử dụng thay cho
các diode Laser hiện nay khá đắt tiền.
16
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Ngƣời ta cũng tính đƣợc độ giãn rộng bƣớc sóng tƣơng đối
/
của ánh sáng
lan truyền bằng:

f
Bs
(1.22)
Ở đây
f,
là bƣớc sóng trung tâm và tần số của ánh sáng,
Bs,
là độ rộng phổ
của nguồn quang và độ rộng của tần số điều chế. Vì vậy, dù trong trƣờng hợp lý tƣởng,
khi mà độ rộng phổ của nguồn quang bằng 0, độ rộng tƣơng đƣơng của bƣớc sóng điều
chế phải đƣợc chú ý tới:
Hai trƣờng hợp đặc biệt của tán xạ vật liệu:
- Khi độ rộng phổ nguồn ∆λs của nguồn sáng là lớn:
Laser làm việc theo nhiều mode dọc và các loại diode (LED) khi dùng làm nguồn
sáng thì sẽ có độ rộng phổ nguồn
s

lớn. Điều này dẫn đến ∆λs/∆λ >> B/f → ∆λs ≈
∆λ nhóm ∆τn sẽ đƣợc quyết định chủ yếu bởi
s
. Phƣơng trình liên hệ
độ rộng băng tần B và
n
:

n
A
B
(1.23)
Với A là một hằng số liên hệ giữa độ trễ nhóm băng thơng. Áp dụng các cơng thức
trên (1.22),(1.23) và
s
ta có :

consts
d
nd
c
ABL
1
2
2
(1.24)
- Khi độ rộng phổ nguồn ∆λs nhỏ:
Khi ta có một Laser bán dẫn chỉ phát ra một mode đơn ngang và một mode đơn
dọc, thì
s

có thể nhỏ hơn 0,01nm.Vì vậy:
- Nếu băng tần điều chế cỡ khoảng vài GHz thì ta có
fBs //
.
- Nếu độ rộng băng tần B liên hệ với │∆τn│ bởi B = A /
n
với A là hằng số thì
áp dụng cơng thức (1.22), (1.23) trên ta thu đƣợc:

2
1
2
2
.
d
nd
cf
ALB
(1.25)
Nhƣ vậy đối với sợi đơn mode thì băng tần B chỉ giảm tỷ lệ với
L
.
17
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Ở bƣớc s ng 850 nm độ tán sáng do chất liệu khoảng 90 120 ps/nm.Km. Nếu sử
dụng nguồn quang là LED có bề rộng phổ
nm50
thì độ nới rộng xung khi truyền
qua mỗi km là:


MD
mat


mat
D
= 100 ps/nm.km 50nm = 5ns/km
Còn nếu nguồn quang là Laser Diode có ∆ = 3 nm thì độ nới rộng xung chỉ
khoảng 0,3ns/Km.
Ở bƣớc sóng 1300 nm tán sắc do chất liệu bằng tán sắc dẫn sóng nhƣng ngƣợc
dấu tán sắc sắc thể bằng khơng. Do đó bƣớc s ng 1300 nm thƣờng đƣợc chọn cho các
đƣờng truyền tốc độ cao.
Ở bƣớc s ng 1550 nm độ tán sắc do chất liệu khoảng 20ps/nm.Km.
1.2.3.2. Tán xạ dẫn sóng:
Sự phân bố của trƣờng và hằng số truyền lan của các mode phụ thuộc vào tỷ số
của đƣờng kính ruột 2a và bƣớc sóng cơng tác (tỷ số 2a/ ). Khi đƣờng kính ruột 2a
của một loại sợi khơng đổi, các mode lan truyền với các bƣớc sóng lệch nhau một
chút. Vận tốc pha và vận tốc nhóm phụ thuộc vào bƣớc sóng lúc này còn là một hàm
của đặc tính hình học của sợi quang. Nhƣ thế xung thu bị
ng. Đối với sợi đa mode do đƣờng kính ruột lớn nên ảnh hƣởng do tán xạ này
rất nhỏ. Còn sợi đơn mode có đƣờng kính ruột khá nhỏ nên tán xạ này có ảnh hƣởng
đáng kể. Điều đáng nói là do sợi có đƣờng kính ruột q nhỏ nên khi truyền dẫn có
một phần ánh sáng lọt ra vỏ, vẫn lan truyền trên lớp tiếp giáp vỏ - ruột, có chiết xuất
thay đổi nên sinh ra tr nhóm. Với sợi đa mode chiết xuất bậc thì trị số tán xạ này có
sẵn và khơng đổi nữa.

2
1
2

()L Vd Vb s B
gn
C dV f
(1.26)
Với
2
1
22
)(
1
V
nka
b

Trong sợi đơn mode có 2,0 < V < 2,4, hệ số
2
d
(Vb)/d
2
V
khoảng 0,1- 0,2.
Đối với tán xạ dẫn sóng, ở xung quanh bƣớc sóng 0,85
m
(cửa sổ truyền dẫn
thứ nhất) ta có vận tốc nhóm tỷ lệ với độ dài bƣớc s ng, giống nhƣ tán xạ vật liệu, do