Một số các phương pháp đo các thông số của sợi cáp quang

MỞ ĐẦU 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. Đối với Việt Nam chúng ta, với chính sách đi thẳng vào công nghệ hiện đại, trong những năm qua, ngành Bưu điện Việt Nam đã hoàn thành vô hoá mạng lưới truyền dẫn liên tỉnh, xây dựng và đưa vào sử dụng hệ thống truyền dẫn quang quốc gia 2,5 Gb/s với cấu hình Ring. Và trong giai đoạn hiện nay ngành đang chủ trương cáp quang hoá mạng thông 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 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, 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 đồ án này còn có nhiều thiếu sót, rất mong có sự đóng góp của các thầy cô giáo. CHƯƠNG 1 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ SỢI QUANG 1.1. TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN QUANG 1.1.1. Sự phát triển của hệ thống thông tin quang. Thông tin xuất hiện trong xã hội loài người từ rất sơm, từ xa xưa con người đã biết sử dụng lửa và phản chiếu ánh sáng để báo hiệu cho nhau và đây có thể coi là một hình thức thông tin bằng ánh sáng sơm nhất. Sau đó, các hình thức thông tin phong phú dần và ngày càng được phát triển thành những hệ thống thông tin hiện đại như ngày nay. Ở trình độ phát triển cao về thông tin như hiện nay, các hệ thống thông tin quang được coi là các hệ thống thông tin tiên tiến bậc nhất, nó đã được triển khai nhanh trên mạng lưới viễn thông các nước trên thế giới với đủ mọi cấu hình linh hoạt, ở các tốc độ và cự ly truyền dẫn phong phú, đảm bảo chất lượng dịch vụ viễn thông tốt nhất. Ở nước ta ta, các hệ thống thong tin quang đã được phát triển rộng khắp cả nước trong những năm gần đây, và đang đóng vai trò chủ đạo trong mạng truyền dẫn hiện tại. Để có được vị trí như ngày nay, các hệ thống thông tin quang đã trải qua sự phát triển nhanh chóng đáng ghi nhớ của nó. Vào năm 1960, việc phát minh ra laser để làm nguồn phát quang đã mở ra một thời kỳ mới có ý nghĩa rất to lớn trong líchử của kỹ thuật thông tin sử dụng dải tần số ánh sáng. Vào thời điểm đó, hàng loạt các thực nghiệm về thông tin trên bầu khí quyển được tiến hành ngay sau đó. Tuy nhiên, chi phí cho các công việc này quá tốn kém, kinh phí cho việc sản xuất các thành phần thiết bị để vượt qua được các cản trở do điều kiện thời tiết tự nhiên đã gây ra là con số khổng lồ. Chính vì vậy chưa thu hút được sự chú ý của mạng lưới. Bên cạnh đó, một hướng nghiên cứu khác đã tạo được hệ thống truyền tin đáng tin cậy hơn thông tin qua khí quyển là sự phát minh ra sợi dẫn quang. Các sợi dẫn quang lần đầu tiên được chế tạo mặc dù có suy hao rất lớn (tới khoảng 1000dB/km) đã tạo ra được một mô hình hệ thống có xu hướng linh hoạt hơn. Năm 1966 Kao và một số nàh khoa học khác đã tìm ra bản chất suy hao của sợi dẫn quang. Những nhận định này đã được sáng tỏ khi Kapron, Keck và Maurer chế tạo thành công sợi thuỷ tinh có suy hao 20 dB/km vào năm 1970. Suy hao này nhỏ hơn nhiều so với thời điểm đầu chế tạo sợi và cho phép tạo ra cự ly truyền dẫn tương đương với các hệ thống truyền dẫn bằng cáp đồng. Với sự cố gắng không ngừng của các nhà nghiên cứu, các sợi dẫn quang có suy hao nhỏ hơn lần lượt ra đời. Cho tới đầu những năm 1980, các hệ thống thông tin trên sợi dẫn quang đã được phổ biến khá rộng với vùng bước sóng làm việc 1300mm. Cho tới nay, sợi dẫn quang đã đạt tới mức suy hao rất nhỏ tới < 0,2 dB/km tại bươcsongs 1550nm đã cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ sợi quang trong những năm qua. Cùng với công nghệ chế tạo các nguồn phát triểnát và thu quang, sợi dẫn quang đã tạo ra các hệ thống thông tin quang với nhiều ưu điểm trội hơn hẳn so với các hệ thống thông tinâcps kim loại là : -Suy hao truyền dẫn rất nhỏ. -Bằng tần truyền dẫn lớn. -Không bị ảnh hưởng của nhiếu điện từ -Có tính bảo mật tín hiệu thông tin. -Có kích thước và trọng lượng nhỏ. -Sợi có tính cách điện tốt. -Tin cậy và linh hoạt. -Sợi được chế tạo từ vật liệu rất sẵn có. Do các ưu điểm trên mà các hệ thống thông tin quang được áp dụng rộng rãi trên mạng lưới. Chúng có thể được xây dựng làm các tuyến đường trục, trung kế, liên tỉnh, thuê bao kéo dài cho tới cà việc truy nhập vào mạng thuê bao linh hoạt và đáp ứng được mọi môi trường lắp đặt từ trong nhà, trong các cấu hình thiết bị cho tới xuyên lục địa, vượt đại dương v.v… Các hệ thống thông tin quang cũng rất phù hợp với các hệ thống truyền dẫn số không loại trừ tín hiệu dưới dạng ghép kênh nào, các tiêu chuẩn Bắc Mỹ, châu Âu hay Nhật Bản. Hiện nay, các hệ thống thông tin quang đã được áp dụng rộng rãi trên thế giới, chúng đáp ứng cả tín hiệu tương tự (analog) và số (digital), chúng cho phép truyền dẫn tất cả các tín hiệu dịch vụ băng hẹp và băng rộng, đáp ứng đầy đủ mọi yêu cầu của mạng số hoá liên kết đa dịch vụ (ISDN). Số lượng cáp quang hiện nay được lắp đặt trên thế giới với số lượng rất lớn, ở đủ mọi tốc độ truyền dẫn với các cự ly khác nhau, các cấu trúc mạng đa dạng. Nhiều nước lấy cáp quang là môi trường truyền dẫn chính trong mạng lưới viễn thông của họ. Các hệ thống thông tin quang sẽ là mũi đôtj phá về tốc độ, cự ly truyền dẫn và cấu hình linh hoạt cho các dịch vụ viễn thông cấp cao. 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 : Sợi quang Bộ thu quang Bộ phát quang Nguồn phát quang Đầu thu quang Tín hiệu điện ra Tín hiệu điện vào Chuyển đổi tín hiệu Mạch điều khiển 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 vấcc trạm lặp, tất cả tạo nên một tuyến thông tin quang hoàn chỉnh. Tương tự như cápđồng, cáp sợi quang được khai thác với những điều kiện lắp đặt khác nhau. Chúng có thể được trao ngoài trời, chôn trực tiếp dưới đất, kéo trong cổng, đặt dưới biển. Tuỳ thuộc vào các điều kiện lắp đặt khác 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 50mm đối với sợi đơn mode. Đường kính ngoài của lớp vỏ phản xạ thông thường vào khoảng 125mm 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 códạng 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. Cuốicùng 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. Mã hoá Điều khiển Nguồn phát Tín hiệu vào Clock vào 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 APD đều có thểư 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 : tách sóng photodiode Khuếch đại Điều chỉnh Quyết định Tín hiệu ra Clock ra Sợi quang Trích Clock Giải mã Hình 1.4. Sơ đồ thiết bị thu quang sô. 1.1.3. Những ưu điểm và ứng dụng của thông tin 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 thôgn 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 kinhtế 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. 1.2.1. Nguyên lý truyền anhsangs trong sợi quang. 1.2.1.1. 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. n : Chiết suất của môi trường, không có đơn vị. C : Vận tốc ánh sáng trong chân không, đơn vị m/s V : vận tốc ánh sáng trong môi trường, đơn vị m/s. Vì V £ C nên n ³ 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 anhsangs 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 Vnh và chiết suốt môi trường cũng được đánh giá theo chiết suất nhóm : nnh. 1.2.1.2. 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 : q’1=q1. -Góc khúc xạ được xác định từ công thức Snell : n1sinq1= n1sinq2. Hình 1.5. Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng. 1.2.1.3. Sự phản sạ toàn phần. Từ công thức Senll đã nêu trên ta thấy : -Nếu n1 q2 : Tia khúc xạ gãy về phía gần pháp tuyến -Nếu n1 > n2 thì q1 < q2 : Tia khúc xạ gãy về phía gần pháp tuyến hơn. Trường hợp n1 > n2, nếu tăng q1 thì q2 cũng tăng và q2 luôn lớn hơn q1 . Khi q2 = 900, tức tia khúc xạ song song với mặt tiếp giáp, thì q1 được gọi là góc tới hạn : qth ; nếu tiếp tục tăng q1 > qth thì không còn tia khúc xạ mà chỉ có tia phản xạ (hình 1.6). Hiện tượng này được gọi là sự phản xạ toàn phần. Dựa vào định luật khúc xạ ánh sáng (công thức Snell)với q2 = 900 có thể tích được góc tới hạn qth . Hình 1.6. Sự phản xạ toàn phần. 1.2.2. Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang. 1.2.2.1. 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 n1 và một lớp vỏ phản xạ(Clalding) cũng bằng thuỷ tinh có chiết suất n2 với n1 > n2 (hình 1.7), 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 1.7. Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang. 1.2.2.2. 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 qth (hình 1.8). Sin của góc tới hạn này được gọi là khẩu độ số, ký hiệu NA : NA = Sin qth . Hình 1.8. Đường truyền của tia sáng với góc tới khác nhau. Áp dụng công thức Snell tính NA : Tại điểmA đối với tia 2 : nosinqmax = n1sin(900 - qth) mà n0 = 1 (chiết suất của không khí sin (900 - qth ) = cosqth ) Do đó : Trong đó : độ lệch chiết suất tương đối. Độ lệch chiết suất tương đối D có giá trị khoảng từ 0,002 đến 0,013 (tức là từ 0,2% đến 1,3%). 1.2.3. Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang. Cấu trúc chung của sợi quang gồm một lõi bằng thuỷ tinh có chiết suất lớn và một lớp vỏ bọc cũng bằng thuỷ tinh nhưng có chiết suất nhỏ hơn. Chiết suất của lớp bọc không thay đổi, còn chiết suất của lõi nói chung thay đổi theo bán kính (khoảng cách tính từ trục của sơi ra). Sự biến thiến chiết suất theo bán kính được viết dưới dạng tổng quát như sau, và đường biểu diễn như trên hình 1.9. ; r £ a (trong lõi) ; a < r £ b (lớp bọc) Trong đó : n1 : là chiết suất lớn nhất ở lõi n2 : là chiết suất lớp bọc. : độ chênh lệch chiết suất. r : Khoảng cách tính từ trục sợi đến điểm tính chiết suất. a : bán kính lõi sợi. b : bán kính lớp bọc. g : số mũ quyết định dạng biến thiến , g ³ 1. Các giá trị thông dụng của g : g = 1 : dạng tam giác. g = 2 : dạng parabol g ®¥ : dạng nhảy bậc. Hình 1.9. Các dạng phân bố chiết suất. 1.2.3.1. Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (sợi SI). Đây là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và lớp bọc khác nhau một cách rõ rệt như hình bậc thang. Các tia từ nguồn quang phóng vào đầu sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theo những đường khác nhau như hình 1.10. Hình 1.10 : truyền ánh sáng trong sợi có chiết suất bậc (CI). Các tia sáng truyền trong lõi sợi cùng với vận tốc mà chiều dài đường truyền khác nhau nên thời gian truyền sẽ khác nhau trêncùng một chiều dài sợi. Điều này dẫn đến một hiện tượng. Khi đưa một xung ánh sáng vào một đầu sợi lại nhận được một xung ánh sáng rộng hơn ở cuối sợi, là hiện tượng tán sắc. Do có độ tán sắc lớn nên sợi SI không thể truyền tín hiệu số có tốc độ cao qua cự ly dài được. Nhược điểm này có thể khắc phục được trong loại sợi có chiết suất giảm dần. 1.2.3.2. Sợi quang có chiết suất giảm dần (sợi GI). Sợi GI có dạng phân bố chiết suất lõi hình Parabol. Vì chiết suóât thay đổi một cách liên tục nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong dần như hình 1.11 sau : Hình 1.11. Truyền ánh sáng trong sợi GI. Đường truyền của các tia sáng trong sợi GI cũng không bằng nhau nhưng vận tốc truyền cũng thay đổi theo. Các tia truyền xa trục có đường truyền dài hơn nhưng có vận tốc truyền lớn hơn và ngược lại, các tia truyền gần trục có đường truyền ngắn hơn nhưng vận tốc truyền lại nhỏ hơn. Tia truyền dọc theo trục có đường truyền ngắn nhất. Nhưng đi với vận tốc nhỏ nhất vì chiết suất ở trục là lớn nhất. Nếu chế tạo chính xác, sự phân bố chiết suất theo đường parabol (g = 2) thì đường đi của các tia sáng có dạng hình sin và thời gian truyền của các tia này bằng nhau. Độ tán sắc của sợi GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI . Ví dụ : độ chênh lệch thời gian truyền 1 km chỉ khoảng 0,1ns. Cần lưu ý rằng góc mở q ở đầu sợi GI cũng thay đổi theo bán kính r vì n1 là hàm n1(r). Trên trục sợi : r = 0 thì q(O) = qmax. Trên mặt giao tiếp r = a thì q(a) = 0. 1.2.3.3. Các dạng chiết suất khác . Hai dạng chiết suất SI và GI được dùng phổ biến. Ngoài ra còn một số dạng chiết suất khác nằhm đáp ứng nhu cầu đặc biệt như : *Dạng giảm chiết suất lớp bọc : (Hình 1.12.a). Trong kỹ thuật chế tạo sợi quang, muốn thuỷ tinh có chiết suất lớn phải tiêm nhiều tạp chất vào, điều này tang suy hao. Dạng giảm chiết suất lỡp bọc nhằm đảm bảo độ lệch chiết suất D nhưng có chiết suất lõi n1 không cao. *Dạng dịch độ tán sắc : (Hình 1.12b). Như đã biết, độ tán sắc tổng cộng của sợi quang sẽ triệt tiêu ở bước sóng gần 1300 nm. Người ta có thể dịch điểm có độ tán sắc triệt tiêu đến bước sóng 1550nm bằng cách dùng sợi quang có dạng chiết suất như hình 1.12b. *Dạng san bằng tán sắc. Với mục đích làm giảm độ tán sắc của sợi quang trong một khoảng bước sóng. Chẳng hạn đáp ứng cho kỹ thuật ghép kênh, như hình 1.12.c. Dạng chiết suất này khá phức tạp nên hiện nay chỉ mới áp dụng trong thí nghiệm chứ chưa đưa ra thực tế. Hình 1.12 : Các dạng chiết suất đặc biệt. 1.2.4. Sợi đa mode và đơn mode : Có hai hướng để khảo sát sự truyền ánh sáng trong sợi quang : một hướng dùng lý thuyết tia sáng và một hướng dùng lý thuyết sóng ánh sáng. Thường thường lý thuyết tia sáng được áp dụng vì nó đơn giản, dễ hình dung. Song cũng có những khái niệm không thể dùng lý thuyết tia để diễn tả một cách chính xác, người ta phải dùng đến lý thuyết sóng. Mode là một trong những khái niệm đó. Sóng ánh sáng cũng là một sóng điện từ có thể áp dụng các phương trình Maxwell với điều kiện biên cụ thể của sợi quang để xác định biểu thức sóng truyền trong nó. Dựa trên biểu thức sóng đã xác định có thể phân tích các đặc điểm truyền dẫn của sóng. Trong khuôn khổ có hạn, ta sẽ không trình bày các bước giải phương trình maxwell mà chỉ nêu lên các thông số rút ra từ kết quả có liên quan đến đặc tính truyền dẫn của sợi quang. Một Mode sóng là một trạng thái truyền ổn định của ánh sáng trong sợi. Khi truyền trong sợi ánh sáng đi theo nhiều đường, trạng thái ổn định của các đường này được gọi là những mode. Có thể hình dung gần đúng một mode ứng với một tia sáng. Các mode được ký hiệu LPVm với v = 0, 1, 2, 3, .... và m = 1, 2, 3, ... Mode thấp nhất là LP01. Số mode truyền được trong sợi phụ thuộc các thông số của sợi, trong đó có thừa số V. Trong đó : a : là bán kính lõi sợi. l : là bước sóng. : là số sóng. NA : là khẩu độ số. Một cách tổng quát, số mode N truyền được trong sợi tính gần đúng như sau : Trong đó : V : là thừa số v. g : là số mũ trong hàm chiết suất. Số mode truyền được trong sợi chiết suất nhảy bậc (SI). với g ® ¥ là : Với chiết suất giảm dần (GI) có g = 2 thì số mode Ví dụ : một sợi quang loại GI (g = 2), với a = 25 mm , NA = 0,2 ở bước sóng l = 1 mm có thừa số V là : Số mode truyền trong sơi này là : Sợi có thể truyền được nhiều mode được gọi là sợi đa mode và sợi chỉ truyền một mode được gọi là sợi đơn mode. 1.2.4.1. Sợi đa mode (mm : multi - mode). Sợi đa mode có đường kính lõi và khẩu độ số lớn nên thừa số V và số mode N cũng lớn. Các thông số của loại sợi đa mode thông dụng (50/125 mm) là : -Đường kính lõi : d = 2a = 50mm -Đường kính lớp bọc : D = 2b = 125mm -Độ lệch chiết suất : D = 0,01 = 1% -Chiết suất lớn nhất của lõi n1 = 1,46. Nếu làm việc ở bước sóng l = 0,85 mm thì : Và số mode truyền được trong sợi là : (Nếu là sợi SI). Sợi đa mode có thể có chiết suất suốt nhảy bậc hoặc chiết suất giảm dần (Hình 1.13). Hình 1.13 : Kích thước sợi đa mode theo tiêu chuẩn CCITT (50/125mm). 1.2.4.2. Sợi đơn mode (Sm) : single mode). Khi giảm kích thước lõi sợi để chỉ có một mode sóng cơ bản (LP01) truyền được trong sợi thì gọi là sợi đơn mode. Trên lý thuyết, sợi làm việc ở chế độ đơn mode khi thừa số V < VC1 = 2,405. Vì chỉ có một mode sóng truyền truyền trong sợi nên độ tán sắc do nhiều đường truyền bằng không và sợi đơn mode có dạng phân bố chiết suất nhảy bậc (Hình 1.14). Các thông số của sợi đơn mode thông dụng là : -Đường kính lõi : d = 2a - 9mm ¸ 10mm -Đường kính lớp bọc : D = 2b - 125mm -Độ lệch chiết suất : D = 0,003 = 0,3% -Chiết suất lõi : n1 = 1,46. Hình 1.14. Kích thước sợi đơn Mode . Các thông số truyền dẫn của sợi đa mode và đơn mode sẽ được phân tích ở phần sau, ở đây chỉ so sánh những nét nổi bật của hai loại sợi này. Độ tán sắc của sợi đơn mode nhỏ hơn nhiều so với sợi đa mode (kể cả loại sợi GI), đặc biệt ở bước sóng l = 1300 nm độ tán sắc của sợi đơn mode rất thấp ( ~ 0); Do đó dải thông của sợi đơn mode rất rộng. Song vì kích thước của các linh kiện quang cũng phải tương ứng và có thiết bị hàn cầu ngày nay đều có thể đáp ứng và do đó sợi đơn mode được dùng phổ biến. CHƯƠNG 2 : SUY HAO VÀ TÁN SẮC XẠ TRONG SỢI QUANG 2.1. SUY HAO TRONG SỢI QUANG. 2.1.1. Định nghĩa : Công suất quang truyền trên sợi sẽ bị giảm dân theo cự lý với quy luật hàm số mũ tương tự như tín hiệu điện. Biểu thức tổng quát của hàm số truyền công suất có dang : Trong đó : P(()) : là công suất ở đầu sợi (L = 0) P(L) : là công suất ở cự ly L (km) tính từ đầu sợi a : là hệ số suy hao. Hình 2.1. Công suất truyền trên sợi quang. -Độ suy hao được tính bởi : Trong đó : P1 = P(0) : là công suất đưa vào đầu sợi. P2 = P(L) : là công suất ra ở cuối sợi. -Hệ số suy hao trung bình . Trong đó : A : là suy hao của sợi. L : là chiều dài sợi. Về nguyên lý đây không phải là giá trị tuyệt đối (đại lượng a) mà là quan hệ công suất hoặc mức, do đó phép đo đơn giản hơn. 2.1.2. Đặc tuyến suy hao. Đặc tuyến suy hao của sợi quang khác nhau tuỳ theo chủng loại sợi nhưng tất cả đều thể hiện được các đặc tính suy hao chung. Một đặc tuyến điển hình của loại sợi đơn mode như hình 2.2 sau : Hình 2.2. Đặc tuyến suy hao của sợi đơn mode. Trên đặc tuyến suy hao của sợi quang có 3 vùng bước sóng có suy hao thấp, còn gọi là 3 cửa sổ suy hao. -Cửa số thứ nhất có bước sóng 850nm: Được xem là bước sóng có suy hao thấp nhất đối với những sợi quang được chế tạo trong giai đoạn đầu . Suy hao trung bình ở bước sóng này từ 2 - 3 dB/km. Ngày nay bước sóng này ít được dùng vì suy hao ở đó chưa phải là thấp nhất. -Cửa số thứ hai có bước sóng 1300nm : suy hao ở bước sóng này tương đối thấp khoảng 0,4 - 0,5 dB/km. Đặc biệt, ở bước sóng này có độ tán sắc rất thấp nên đang được sử dụng rộng rãi hiện nay. -Cửa số thứ ba có bước sóng 1550nm : cho đến nay suy hao ở bước sóng này là thấp nhất, có thể dưới 0,2 dB/km. Trong những sợi quang bình thường, độ tán sắc ở bước sóng 1550nm lớn hơn so với ở bước sóng 1300. Nhưng với loại sợi có dạng phân bố chiết suất đặc biệt, có thể giảm độ tán sắc ở bước sóng 1550 nm. Lúc đó sử dụng cửa sổ thứ ba sẽ có được cả hai điểm : suy hao thấp và tán sắc nhỏ. Bước sóng 1550 nm sẽ được sử dụng rộng rãi trong tương lại, nhất là các tuyến cáp quang thả biển. 2.1.3. Các loại suy hao trong sợi quang. 2.1.3.1. Suy ao 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 lượng và tần số bức xạ quang, nên các nguyên tử của vật liệu sợi quang cũng phản ứng với ánh sáng theo đặc tính chọn lọc bước sóng. Như thế, vật liệu cơ bản chế tạo sợi quang sẽ cho ánh sáng qua tự do trong một dải bước sóng xác định với suy hao rất nhỏ, hoặc hầu như không suy hao. Còn ở các bước sóng khác sẽ có hiện tượng cộng hưởng quang, quang năng bị hấp thụ và chuyển hoá thành nhiệt năng. Thuỷ tinh silica (SiO2) hiện nay được sử dụng để chế tạo sị quang có các đỉnh cộng hưởng nằm trong vùng viễn hồng ngoại 10mm đến 20 mm, khá xa vùng bước sóng sử dụng hiện nay cho thông tin quang là từ 0,8mm đến 1,6mm hoặc trong vùng lân cận. Tuy vậy, hiện tượng cộng hưởng hấp thụ hồng ngoại cũng còn ảnh hưởng suy hao ở các bước sóng gần phía trên bước sóng 1,6mm. Người ta thấy rằng từ bước sóng 1,6mm trở lên thì suy hao tăng rất nhanh theo bước sóng. Như vậy, bản thân thuỷ tinh tinh khiết cũng hấp thụ ánh sáng trong vùng cực tím và vùng hồng ngoại. Độ hấp thụ thay đổi theo bước sóng như hình 2.3. Sự hấp thụ trong vùng hồng ngoại gây trở ngại cho khuynh hứng sử dụng các bước sóng dài trong thôn tin quang. Hình 2.3. Suy hao do hấp thụ vùng cực tím và hồng ngoại. *Do tạp chất kim loại : Trong thực tế , vật liệu chế tạo không hoàn toàn tinh khiết mà có lẫn các ion kin loại như : Fe, Cu, Cr, Mn, Ni, Co... Các tạp chất này là một trong những nguồn hấp thụ năng lượng ánh sáng. Hiện nay, các hệ thống truyền dẫn quang chủ yếu làm việc ở bước sóng 1,3mm và 1,55mm nhưng suy hao ở các bước sóng này lại rất nhạy cảm với sự không tinh khiết này của vật liệu. Muốn đạt được sợi quang có độ suy hao dưới 1dB/km cần phải có thuỷ tinh thật tinh khiết với nông độ tạp chất khong qua một phần tỷ (10-9) với công nghệ chế tạo sợi hiện đại, người ta có thể làm sạch kim loại và suy hao do các ion kim loại không còn vai trò đáng kể nào nữa. *Do hấp thụ của ion OH : Sự có mặt của các ion OH- của nước còn sót lại 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 bước sóng 2700nm nằm ngoài vùng bước sóng dùng trong thông tin quang từ 8500nm đến 1600nm... Ngoài ra, độ hấp thụ tăng vọt ở các bước sóng 950nm, 1250nm và 1383 nm. Như vậy, độ ẩm là một trong những nguyên nhân gây suy hao của sợi quang . Trong quá trình chế tạo, nồng độ của các ion OH trong lõi sợi được giữ ở mức dươi một phần tỷ (10-9) để giảm độ hấp thụ của nó và ở các sợi có chất lượng cao chỉ còn đỉnh tiêu hao ở bước sóng 1250nm và 1383nm. 2.1.3.2. Suy hao do tán xạ ánh sáng. Nguyên nhân gây suy hao do tán xạ là chủ yếu do tán xạ Ray leigh và do mặt phân cách giữa lõi và lớp bọc không hoàn hảo : *Tán xạ ray leigh : Nói chung khi sóng điện từ truyền trong môi trường điện môi gặp những chỗ không đồng nhất sẽ xẩy ra hiện tượng tán xạ. Những chỗ không đồng nhất trong sợi quang đó cách sắp xếp của các phân tử thuỷ tinh , các khuyết tật của sợi như : bọt không khí, các vết nứt... khi kích thước của vùng không đồng nhất vào khoảng 1/10 bước sóng thì chúng trở thành những nguồn điểm để tán xạ. Các tia sáng truyền qua những chỗ không đồng nhất này sẽ toả ra nhiều hướng chỉ một phần năng lượng ánh sáng truyền theo hướng cũ, phần còn lại truyền theo các hướng khác nhau, thậm chí truyền ngược về phía nguồn quang. Một đặc điểm quan trọng của tán xạ Rayleigh là tỷ lệ nghịch với luỹ thừa bậc 4 của bước sóng (l-4) nên giảm rất nhanh về phía trước sóng dài như hình 2.4. aTX (l) = aTX(l) . Trong đó : aTX (l0) : là hệ số tán xạ tại bước sóng mẫu l0 xác định theo vật liệu chế tạo sợi. a(dB/km) 5 4 3 2 1 0 0,7 0,8 1,3 1,6 l(nm) Hình 2.4. Suy hao do tán xạ Rayleigh. Ở bước sóng 850nm, suy hao do tán xạ Rayleigh của sợi Silica khoảng 1 - 2 dB/km và ở bước sóng 1300 nm suy hao chỉ khoảng 0,3 dB/km . Ở bước sóng 1550nm suy hao còn thấp hơn nữa. *Tán xạ do mặt phân cách giữa lõi và lớp vỏ không hoàn hảo. Khi tia sáng truyền đến những chố không hoàn hảo giưa 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 góc tới hạn sẽ khúc xạ ra lớp bọc và bị suy hao dần. 2.1.3.3. Suy hao do bị uốn cong : Suy hao bức xạ xuất hiện bất cứ khi nào khi sợi quang bị uốn cong với một bán kính cong xác định. Có hai loại uốn cong, uốn cong với bán kính lớn so với đường kính sợi khi cáp quang được uốn theo góc và uốn cong khi sợi đực bện lại thành cáp. * Vì uốn cong (Micro bending) : khi sợi quang bị chèn ép tạo nên những chỗ uốn cong nhỏ (biên độ uốn cong chừng 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 bị uốn cong đó. Một cách chính xác._. hơn sự phân bố trường bị xáo trộn khi đi qua những chỗ bị uốn cong và dẫn tới một phần năng lượng ánh sáng phát xạ ra khỏi lõi sợi, đi trong lớp bọc và suy giảm dần theo hàm số mũ. Độ lớn suy hao phụ thuộc vào độ dài đoạn ghép. Đặc biệt, sợi đơn mode rất nhạy với những chỗ vi uốn cong, nhất là về bước sóng dài. *Uốn cong (Macro bendding). Khi sợi bị uốn cong với bán kính uốn cong càng nhỏ thì suy hao càng tăng (như hình 2.5). Dĩ nhiên, không thể tránh được việc uốn cong sợi quang trong quá trình chế tạo và lắp đặt. Nhưng nếu giữ cho bán kính uốn cong lớn hơn một bán kính tối thiểu cho phép thì suy hao uốn cong không đáng kể. Người ta quy định bán kính uốn cong tối thiểu R là : Do đó cần chú ý đến bán kính uốn cong tối thiểu của sợi để không tăng suy hao . Bán kính uốn cong tối thiểu do nhà sản xuất đề nghị thông thường từ 30mm đến 50mm. a(dB/km) 10 1 0.1 0.01 10 20 30 40 50 60 R(mm) Hình 2.5. Suy hao do uốn cong thay đổi theo bán kính R. Độ suy hao do uốn cong có thể được tính theo công thức Trong đó : D : là độ lệch chiết suất R : là bán kính uốn cong a : bán kính lõi g : tham số mặt cắt. 2.1.3.4. Suy hao do hàn nối : Khoảng cách giẵ hai trạm thông tin quang thương dài hơn chiều dài một cuộn cáp và nhất thiết phải nối các sợi quang của hai cuộn cáp với nhau. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ suy hao của mối hàn, có thể xếp thành ba loại chính là : chất lượng mặt cứt ở đầu sợi quang : vị trí tương đối giữa hai đầu sợi quang; thông số của hai sợi. Suy hao của mối hàn trước tiên phụ thuộc vào công việc chuẩn bị nối, thông qua chất lựơng của mặt cắt sợi quang. Các yêu cấu đối với mặt cắt là : *Mặt cắt phẳng, không mẻ, không lồi ở mép *Măt cắt không được dính bụi, các chất bẩn. *Mặt cắt phải vuông góc với trục của sợi. Suy hao mối hàn phụ thuộc vào vị trí tương đối giữa hai đầu sợi, còn gọi là các yếu tố ngoài, bao gồm : -Lệch trục : trục của hai sợi không song song nhau. -Lệch tâm : tâm của hai mặt cắt đầu sợi không trùng nhau. -Khe hở : đầu hai sợi không sít nhau. Nếu hai sợi được chuẩn bị cẩn thận, điều chỉnh chính xác nhưng có thông số khác nhau thì suy hao hàn nối vẫn cao. Do khác biệt các thông số sau sẽ gây suy hao lớn cho mối hàn. -Đường kính sợi. -Độ méo elíp -Khẩu độ : Số (NA) hay góc mở đầu sợi. NA = Sin qmax = n1.. 2.2. TÁN XẠ TRONG SỢI QUANG. 2.1. Hiện tượng, nguyên nhân và ảnh hưởng của tán xạ. Khi truyền dẫn các tín hiệu digital qua sợi quang, sẽ xuất hiện hiện tượng dãn rộng các xung ánh sáng ở đầu thu, thậm chí trong một số trường hợp, các xung lân cận đè lên nhau, và khi đó ta không phân biệt được các xung với nhau nữa, gây méo tín hiệu khi tái sinh. Hiện tượng dãn xung dãn xung được gọi là hiện tượng tán xạ. Nguyên nhân chính của hiện tượng tán xạ là do ảnh hưởng của sợi quang mà tồn tại các thời gian chạy khác nhau cho các ánh sáng phát đi đồng thời. Tán xạ ảnh hưởng rất quan trọng đến chất lượng truyền dẫn, cụ thể như sau : *Khi truyền tín hiệu digital, trong miền thời gian nó gây ra dãn rộng các xung ánh sáng. *Khi truyền tín hiệu analog thì ở đầu thu biên độ tín hiệu bị giảm nhỏ (tới giá trị AE trên hình 2.6b) và có hiện tượng dịch pha. Độ rộng băng truyền dẫn của sợi do đó bị giới hạn. P P 0 t 0 t a b Hình 2.6. ảnh hưởng của tán xạ lên tín hiệu digital (a) và analog(b) (s chỉ tién hiệu phát, E chỉ tín hiệu thu). a) dãn xung ; b )sự biên độ 2.2.2. Mối quan hệ giữa tán xạ với độ rộng băng truyền dẫn và tốc độ truyền dẫn bít. Ở đây xem xét trường hợp điển hình khi truyền dẫn tín hiệu digital. Một cách gần đúng, coi xung phát có độ rộng tS và xung thu có độ rộng tE có dạng theo auy luật phân bố Gauss (xung hình chuông). Độ rộng xung tính ở mức biên độ bằng một nửa biên độ lớn nhất (hình 2.6) là . Khi thu về xung bị dãn rộng do tán xạ với độ dãn rộng (thời gian)là có t được tính theo công thức : (2.1) Trường hợp xung phát rất hẹp, tS < tE thì có thể coi gần đúng t » tE/ Độ dãn xung t theo công thức trên thể hiện mức độ tán xạ tín hiệu do sợi quang gây ra, và nó có ảnh hưởng đến độ rộng băng truyền dẫn và tốc độ truyền dẫn bít. Trường hơph công suất ánh sáng thay đổi theo quy luật hình sin, sợi quang được coi gần đúng như bộ lọc thấp với hàm truyền đạt Gauss. Hàm truyền đạt biên độ là : (2.2) Với P~(f) là công suất xoay chiều ở tần số f. Đồ thị hàm truyền đạt biên độ được miêu tả ở hình vẽ sau : 1 0,5 |H(f)| = F(f) 0 B fB Hình 2.7 : Hàm truyền đạt biên độ của sợi quang. Xác xung ánh sáng có phân bố Gauss truyền đưa qua sợi quang thì biên độ giảm theo quy luật. (2.3) Xét đặc tính truyền dẫn của sợi nhờ hình vẽ 2.7. Khi biên độ của hàmn H(f) giảm còn một nửa biên dộ lớn nhất (tương ứng giảm 3 dB), người ta nhận được tần số fB (ở mức 3dB) và định nghãi độ rộng bằng truyền dẫn B = fB). (Từ f = 0 đến f = fB) . Thay giá trị H(f) = 0,5 vào phương trình (2.2) nhận được b : (2.4). Trong thực tiễn, nếu có nhiều hiện tượng tán xạ cùng tác động gây méo xung thể hiện qua các giá trị dãn xung thành phần t1 , t2 ..., thì có tán xạ tổng cộng thể hiện là tổng : t = t1 + t2 +... (2.5). Nếu tương ứng với t1 , t2 ... có các giá trị B1, B2... thì độ rộng băng truyền dẫn của sợi khi có tác động tổng hợp của các hiện tượng tán xạ khác nhau là B và tính theo công thức : (2.6) Người ta cũng định nghĩa một đại lượng đặc trưng cho dung lượng truyền dẫn của sợi quang là tốc đô bít có thể truyền lớn nhất : C(bit/S). Do ảnh hưởng của tán xạ, các xung ở đầu vào máy thu bị giãn rộng, nhưng hai xung kề nhau còn đủ phân biệt được khi độ dãn xung t còn nhỏ hơn độ dãn xung tS của xung phát đi, từ đó tốc độ bít là : (2.7) Như vậy. độ dãn xung t , độ rộng băng tần truyền dẫn B và tốc độ bít C có quan hệ ảnh hưởng nhau. Để truyền được 2 bit/s theo (2.7) cần có độ rộng băng tần khoảng 1HZ . Trên thực tế để truyền được 2 bít/s cần độ rộng băng khoảng 1,6 Hz . Do đó trên thực tế có thể coi rằng tốc độ truyền bít lớn nhất của sợi quang bằng độ rộng băng tần truyền dẫn. Muốn có sợi có độ rộng băng truyền dẫn và tốc độ bít lớn thì phải giảm nhỏ ảnh hưởng của tán xạ đến mức thấp nhất để có độ dãn xung t bé nhất. 2.2.3. Các loại tán xạ . 2.2.3.1. Tán xạ vật liệu : Vì chiết suất của vật liệu thuỷ tinh chế tạo sợi thay đổi theo bước sóng của tín hiệu lan truyền, tức là n = n(l). Nếu nguồn bức xạ phát ra sóng ánh sáng với duy nhất một bước sóng lo thì không có hiện tượng lệch về thời gian truyền dẫn giữa các thành phần của xung ánh sáng. Vì chúng lan truyên theo cùng vận tốc. V = C/n(lo) = const P/PMax 1 LD 0,5 LED 0 l Hình 2.8. Phổ bức xạ của LED và LD. Thế nhưng các nguồn phát quang như LED hoặc đio laser thường không chỉ bức xạ ra mỗi vạch phổ ứng với bước sóng lo ở mức biên độ 0,5 như hình 2.8. Trong đó, phổ của diod phát quang LED là phổ liên tục gồm vô số vạch phổ, còn trong đường bao phổ của diode laser cũng gồm một số vạch phổ nằm giữa hai bước sóng rìa là : Vận tốc pha của mỗi bước sóng trong dải phổ Dl sẽ biến đổi theo bước sóng. Vận tốc nhóm thay đổi theo chiết suất nhóm ng(l) : Với ng(l) = n1(l) - l. Ta có : Nếu ng(l2) > ng(l1) thì ta có Vg(l1) > Vg(l2), do đó khi truyền dẫn qua đoạn sợi quang dài L thì hai xung ánh sáng ứng với (l1) và (l2) có thời gian truyền nhóm tg1 và tg2 lệch nhau Dtn : Hệ số D() được định nghãi là hệ số tán xạ vật liệu : Với đơn vị đi là PS/km.nm Hệ số tán xạ vật liệu Dmax phụ thuộc vào loại 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 d2n1/dmang giá trị (+) thì những thành phần bước sóng dài hơn trong dải Dl sẽ truyền nhanh hơn thành những thành phần bước sóng ngắn hơn và ngược lại. Chính sự chênh lệch này sẽgây ra méo xung. Độ dãn xung ánh sáng ở đầu vào máy thu chính là độ lệch thời gian truyền nhóm : t = | Dtn| = Dls .D l. L = tt.L Trong đó t’ là dãn xung khi truyền qua độ dài 1km. Vì độ dãn xung t (tán xạ) gây nên méo truyền dẫn, nên nó vừa hạn chế cự ly truyền dẫn vừa hạn chế băng truyền dẫn, nên để đánh giá năng lực truyền dẫn của các loại sợi quang có tán xạ, người ta đưa ra đại lượng đặc trưng là tích số độ rộng băng truyền và cự ly truyền dẫn BL : Rõ ràng độ dãn xung trên một kilomét thể hiện năng lực truyền dẫn của sợi. Người ta cũng tính được độ dãn rộng bước sóng tương đối Dl/l của ánh sáng lan truyền bằng : Trong đó : l, f là bước sóng trung tâm và tần số của ánh sáng; Dls, B là độ rộng của nguồn quang và độ rộng của tần số điều chế. Vì vậy, dù trong trường hợp lý tưởng khi mà độ rộng phổ của nguồn quang bằng O, độ rộng tương đương của bước sóng điều chế phải được chú ý tới hai trường hợp đặc biệt của tán xạ vật liệu : *Khi độ rộng phổ nguồn Dls của nguồn sáng là lớn : Laser làm việc theo nhiều mode dọc và các loại đio LED khi dùng làm nguồn sáng thì sẽ có độ rộng phổ nguồn Dls lớn. Điều này dẫn đến Dls/Dl >> B/f. Như vậy Dls »Dl và do đó trễ nhóm Dtn sẽ được quyết định chủ yếu bởi Dls. Phương trình liên hệ độ rộng băng tần B và (Dtn). Với A là một hằng số liên hệ giữa độ rộng trễ nhóm băng thông. áp dụng công thức và Với Dls và Dl ta có : *Khi độ rộng phổ nguồn Dls nhỏ : Khi ta có một laser bán dẫn chỉ phát ra một mode đơn và một mode đơn dọc, thì Dls có thể nhỏ hơn 0,01nm. Vì vậy : -Nếu băng tần điều chế cỡ khoảng vài GHz thì ta có -Nếu độ rộng băng tần B liên hệ với Dtn bởi : với A là hằng số. Thì áp dụng các công thức trên ta được : Như vậy đối với sợi đơn mode thì băng tần B chỉ giảm tỷ lệ với . 2.2.3.2. Tán xạ dẫn sóng . Sự phân bố của trường và hằng số truyền lan của các mode phụ thuộc vào tỷ số của đường kính ruột ra và bước sóng công tác l (tỷ số ra/l). Khi đường kính ruột ra của một loại sợi không đổi, các mode truyền lan với các bước sóng l lệch nhau một chút. Vận tốc pha và vận tốc nhóm phụ thuộc vào bước sóng l lúc này còn là một hàm của đặc tính hình học của sợi quang. Như thế xung thu bị dãn rộng phụ thuộc vào bước sóng. Đối với sợi đa mode do đươừng kính ruột lớn nên ảnh hưởng do tán xạ này rất nhỏ. Còn sợi đơn mode có đường kính ruột khá nhỏ nên tán xạ này có ảnh hưởng đáng kể. Điều đáng nói là do sợi có đường kính ruột khá nhỏ nên khi truyền dẫn có một phần ánh sáng lọt ra vỏ, vẫn lan truyền trên lớp tiếp giáp vỏ - ruột, có chiết suất thay đổi, nên sinh ra trễ nhóm. Với sợi đa mode chiết suất bậc thì trị số tán xạ này có sẵn và không đổi nưa. Với Trong sợi đơn mode có 2 < V < 2,4, hệ số khoảng 0,1 ¸ 0,2. Đối với tán xạ dẫn sóng, ở xung quanh bước sóng 0,85mm (cửa sổ truyền dẫn thứ nhất) ta có vận tốc nhóm tỷ lệ với độ dài bước sóng, giống như tán xạ vật liệu, do đó hai tán xạ này đều dương (cùng làm dãn rộng xung ánh sáng). Nhưng độ lớn của tán xạ dân sóng nhỏ hơn một bậc so với tán xạ vật liệu. Ở bước sóng nhỏ hơn một bậc so với tán xạ vật liệu, ở bước sóng 1,25mm thì tán xạ dẫn sóng trở lên có độ lớn đáng kể so với tán xạ vật liệu tới bước sóng 1,27mm chúng sẽ có dấu hiệu khác nhau và sẽ làm suy giảm lẫn nhau tới O. Hinh 2.9. Sự phân bố năng lượng ánh sáng ở các bước sóng khác nhau. 2.2.3.3. Tán xạ mode. Hiện tượng này chỉ xuất hiện ở sợi đa mode. Các thành phần ánh sáng lan truyền nhờ các mode riêng rẽ. Với thời gian khác nhau, nên có sự chênh lệch thời gian sinh ra méo xung (dãn xung). Dạng xung ở đầu vào máy thu phụ thuộc vào hai yếu tố chính : *Thành phần công suất từ nguồn phát quang được ghép vào sợi quang. *Sự phân bố các mode truyền dẫn trên sợi quang. Để có thể hiểu hiện tượng một cách tương đối đơn giản, người ta sử dụng phương pháp tia, coi mỗi mode truyền dẫn được đặc trưng nhờ một tia sáng. Sợi quang được coi là lý tưởng, không gây ra hiện tượng trộn các mode với nhau, và coi chiết suất của sợi không phụ thuộc vào bước sóng. Trong sợi SI, các tia sáng ứng với mỗi mode chạy theo các đường rích rắc với độ dàI khác nhau, trong đó tia sáng song song với trục quang có độ dàI ngắn nhất. Vì chiết suất n1 của thuỷ tinh chế tạo ruột không thay đổi, nên vận tốc lan truyền của các tia sóng thành phần là như nhau. Vì vậy thời gian cần thiết để lan truyền của các tia là rất khác nhau. Các tia đến đầu cuối sợi không cùng một lúc, mà có sự chênh lệch thời gian, gây ra dãn xung. Thời gian lệch giữa tia sáng nhanh nhất và chậm nhất được tính như sau : Hình 2.10. So sánh tia dàI nhất và tia ngắn nhất trong sợi SI. -Tia 1 : tia dàI nhất, có độ dàI : -Tia 2 : tia ngắn nhất , có độ dàI d2 = L. Thời gian truyền của tia 1 : : vận tốc ánh sáng trong lõi). Mà : cosq1 = sinq1 = Nên Thời gian truyền của tia 2 : Thời gian chênh lệch giữa hai đường truyền là : Trong đó : độ chênh lệch chiết suất. Thời gian chênh lệch trên mỗi km sợi cũng chính là độ trảI xung do tán sắc mode.ư Ví dụ với sợi chiết suất nhảy bậc (SI) có n1 = 1,458 và D = 1%, độ tán sắc mode là : dmod = 48,6 ns/km. Đối với sợi có chiết suất giảm dần (GI) độ trảI xung do tán sắc mode nhỏ hơn so với sợi chiết suất nhảy bậc (SI) : Độ trảI xung qua mỗi km sợi hay độ tán sắc mode : Tổng quát, độ tán sắc mode phụ thuộc vào dạng phân bố chiết suất của sợi đa mode thông qua số mũ trong biểu thức hàm chiết suất : Sự phụ thuộc của mode vào số mũ. g được biểu diễn theo hàm trên. Qua đó ta thấy dmod đạt cực tiểu khi g ~ 2 và dmod tăng khá nhanh khi g có giá trị khác 2 về hai phía. Đây là một trong những yêu cầu nghiêm ngặt trong quá trình chế tạo sợi GI. Ảnh hưởng của tán xạ mode tới băng tần truyền dẫn của sợi quang : Giả thiết rằng không xẩy ra trộn mode, thời gian trễ nhóm Dt trong một sợi đa mode do sự khác nhau giữa vận tốc nhóm của mode cơ bản và mode có số mode N lớn nhất được cho bởi : Với Vgo , VgN : là vận tốc nhóm của mode cơ bản, và mode N . L : là chiều dàI sợi quang. Độ rộng băng tần truyền dẫn của sợi tương ứng với trễ nhóm này được định nghĩa bằng : Với A là hằng số liên hệ giữa B và Dt, phụ thuộc vào đặc đIểm của phía thu. Từ hai công thức trên ta có tích số BL : Đối với sợi grandiert có phân bố chiết suất thay đổi thì hệ số mũ a, với giả thiết tất cả các mode truyền dẫn (0àN) có cùng công suất, tích số BL được tích bởi : với , N là số mode. Áp dụng cho tán xạ mode trong sợi chiết suất bậc. Đặt l = ¥ trong công thức và N = Nm thì độ rộng trễ nhóm Dtm giữa hai mode xa nhau nhất sẽ là n1.DL/C . Do đó băng thông B = A/Dtm được cho bởi : Trong trường hợp sợi grandient thuỷ tinh silic, khi thay giá trị a = 2 là giá trị tương ứng với tạn xạ do mode bé nhất tích số : So sánh hai tích số BL trên ta có thể thấy rằng băng thông của sợi grandient lớn hơn băng thông của sợi chiết suất bậc 2 là 2/D lần. 2.2.3.4. Tán xạ mặt cắt : Trong quá trình nghiên cứu, khi giả thiết chiết suất có biến thiên theo bước sóng, người ta đều coi độ lệch chiết suất tương đối không phụ thuộc vào bước sóng l. Thế nhưng xem xét kỹ thì thấy rằng chiết suất n1 và n2 của ruột và vỏ biến thiên theo bước sóng không cùng một mức độ như nhau, nên giá trị cũng thay đổi theo bước sóng, gây nên hiện tượng tán xạ phụ gọi là tán xạ mặt cắt, và đặc trưng qua tham số tán xạ P : Trong đó : n0 : là chiết suất ở tâm ruột và ng là chiết suất nhó . Do tác động của tham số P, thì đường cong tán xạ mode bị dịch chuyển đi dọc theo trục tham số g, để có đỉnh đạt cực tiểu tại giá trị g = gopi. Giá trị P(l) đối với ruột sợi thuỷ tinh thạch anh có hoạt chất GeO2 cho trên hình 2.11. Từ ảnh hưởng phụ thêm của tán xạ mặt cắt, người ta thấy rằng mỗi sợi quang có được độ rộng băng truyền dẫn lớn nhất chỉ tại một bước sóng cụ thể. Ở mỗi vùng truyền dẫn có tham số mặt cắt g0pt khác nhau, do vậy cũng có chiết suất tối ưu cho một vùng bước sóng công tác. Không có một loại sợi nào cho phép đạt độ rộng băng tần truyền dẫn lớn cả hai vùng cửa sổ, chằng hạn ở 0,85 mm và 1,3mm. P 4,01 Hình 1.11. Sự phụ thuộc của tham số tạn xạ mặt cắt vào bước sóng. CHƯƠNG 3 : CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO TRÊN CÁP SỢI QUANG VÀ HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN QUANG. 3.1. ĐO SUY HAO SỢI QUANG. Như đã phân tích ở trước, suy hao là một trong những thông số quan trọng, nó cho phép xác định xem tín hiệu quang bị suy giảm bao nhiêu khi qua một độ dài cho trước của sợi dẫn quang, từ đó có thể tính được 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 được thông số này. Có hai phương pháp đo suy hao đang được áp dụng nhiều là : -Phương pháp đo hai điểm : dùng máy phát quang và máy đo công suất quang. -Phương pháp đo quang dội còn gọi là đo tán xạ ngược : dùng máy đo quang dội OTDR. 3.1.1. Đo suy hao bằng phương pháp hai điểm : Để đo suy hao theo phương pháp này, cần 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, phương pháp này lại được chia làm hai phương pháp với cùng một nguyên lý đo nhưng cách đấu nối với sợi quang khác nhau : 3.1.1.1. Phương pháp cắt sợi : OPM LS Điểmcắt L1 P1 2m Sợi quang OPM LS L2 P2 LS : nguồn quang (Light Source) OPM : máy đo công suất quang (Optical Power Meter). Hình 3.1. Đo suy hao theo phương pháp cắt sợi. Nối hai đầu sợi quang cần đo vào nguồn quang (LS) và máy đo công suất quang (OPM) như trên hình 3.1. Tiến trình đo qua các bước như sau : -Cho nguồn quang hoạt động, đo và ghi nhận mức công suất ở đầu xa L2 ; P2. -Cắt sợi quang ở đầu gần nguồn quang L1 (2m). -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 : A(dB) = ; Nếu P1, P2 đo bằng mW hoặc A(dB) = P1(dBm) - P2(dBm) ; nếu P1, P2 đo bằng dBm. -Suy hao trung bình của sợi : Trong đó L = L2 - L1. Suy hao ghep ở hai đầu sợi quang đều có mặt cả trong hai lầng đo công suất đầu gần và đầu xa nên chúng tự khư nhau trong cách tính suy hao nêu trên. Phương pháp đo cắt sợi cho kết quả chính xác, và được ITU - T chấp nhận là một phương pháp tham khảo để đo suy hao sợi quang. Nhược điểm của phương pháp này là sợi quang bị cắt đi một đoạn (2m) sau mỗi lần đo nên không thích hợp với các sợi quang đã được lắp đặt và gắn sẵn khớp nối ở đầu sợi. Có thể tránh việc cắt sợi quang khi đo bằng phương pháp thứ hai. OPM LS P1 OPM + LS Dụng cụ ghép Sợi quang P2 Hình 3.2. Đo suy hao theo phương pháp xen thêm suy hao. Sợi quang cần đo được nối với dây nối của nguồn quang thông qua một dụng cụ lắp ráp được (hình 3.1). Nếu sợi quang đã lắp đặt mà chưa gắn với khớp nối ở đầu sợi thì dụng cụ ghép là một ống nối đàn hồi, nếu đã có khớp nối ở đầu sợi quang thì dụng cụ ghép là khớp nối. Trình tự đo cũng tương tự như ở phương pháp cắt sợi, nhưng trường hợp này có thể đo công suất quang ở đầu gần trước. -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, như trong phương pháp cắt sợi. Độ suy hao tổng cộng A của phương 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 (ước tính). Trên thực tế thường cần đo suy hao toàn tuyến bao gồm cả khớp nối ở hai đầu nên phương pháp này tỏ ra thích hợp hơn. Đây là phương pháp luân phiên có trong thủ tục FOTP-53 của EIA. 3.1.2. Đo suy hao theo phương pháp đo tán xạ ngược. Ý tưởng của phương pháp này là phóng các xung ánh sáng vào các sợi quang rồi thu nhận và phân tích các xung phản xạ, tán xạ theo thời gian để đánh giá đặc tính truyền dẫn của sợi quang. Nguyên lý này được áp dụng trong máy đo OTDR do Barnosky Lensen đưa 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. 3.1.2.1. Sự hình thành phản xạ và tán xạ ngược. *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 thuỷ tinh và không khí sẽ phản xạ (phản xạ Fresel) ví hệ số phản xạ. Trong đó : n1 : chiết suất của sợi thuỷ tinh n0 : chiết suất của không khí. Điều đó có nghĩa là ở mặt ngăn cách (hoặc ở chỗ sợi bị đứt), có công suất quang phản xạ trở lại. Nếu mặt cắt đầu cuối của sợi quang nghiêng hoặc không nhẵn thì hệ số phản xạ sẽ thấp hơn. Tổng quát công suất phản xạ được diễn ra bởi : P(t) = R.Po exp (2. a.v.t). Trong đó : R : Hệ số phản xạ. Po : công suất ở đầu sợi. a: hệ số suy hao trung bình (Np/km) v : vận tốc ánh sáng trong sợi. t : thời gian (s) Ánh sáng phải đi qua một khoảng cách để đến điểm phản xạ và trở về. Do đó khoảng cách từ đầu sợi đến điểm phản xạ là : *Tán xạ ngược : Tán xạ ngược là do chiết suất khúc xạ thay đổi theo sợi quang. Tại những chỗ có sự chênh lệch chiết suất khúc xạ thì ánh sáng bị tán xạ. Các tia tán xạ ngược toả ra mọi hướng. Những tia tán xạ ngược về phía nguồn quang có phưng hợp với trục sợi một góc nhỏ hơn góc mở của sợi có thể truyền về đầu sợi (Hình 3.3). Hình 3.3 . Sự truyền tia tán xạ ngược. Những tia tán xạ theo các hướng khác thì tiếp tục truyền về phía cuối sợi hoặc bị khúc xạ ra khỏi lõi tuỳ theo phương của chúng. Công suất tán xạ có dạng tổng quát : PS(t) = S-aS.V.t.Po.exp(-2aVt). Trong đó : S : hệ số tán xạ ngược. aS : hệ số tán xạ Rayleigh V : Vận tốc ánh sáng trong sợi. t : độ rộng xung ánh sáng. Po : công suất của xung ánh sáng tới. a : Độ suy hao trung bình của sợi quang. t : thời gian. Hệ số tán xạ ngược S phụ thuộc vào từng loại sợi quang. *Sợi đa mode chiết suất nhảy bậc (SI). ; với n1 : chiết suất lõi sợi. n2 : chiết suất lớp bọc. *Sợi đa mode chiết suất giảm dần (GI ) : *Sợi đơn mode (SM) : S = 0,038; với l : bước sóng 2P : đường kính trường mode. 3.1.2.2. Nguyên lý đo phản xạ và tán xạ ngược : Xung quang Bộ ghép nối quang Bộ phát xung và nguồn quang Phản xạ và tán xạ Sợi quang Bộ tách sóng quang và chỉ thị Hình 3.4 : Nguyên lý đo phản xạ và tán xạ ngược. Xung đo được tạo ra từ bộ phát xung và đưa vào điều chế với nguồn quang bán dẫn như diode phát quang hoặc diode laser, LD. Xung quang đã điểu chế đi qua bộ ghép nối quang để truyền vào sợi quang cần đo. Xung ánh sáng truyền qua sợi quang sẽ xẩy ra tán xạ ngược hoặc phản xạ trở lại đầu sợi tại những chỗ không đồng nhất trên đường truyền. Các tia phản xạ và tán xạ ngược qua bộ ghép nối quang để vào diode tách quang và trị số xung phản xạ và tán xạ ngược được chỉ thị trên màn hình và đồng hồ đo. Kết quả chỉ thị được thể hiện cả biên độ và thời gian từ lúc phát xung cho đến khi thu được xung quang trở lại. Khi sự phản xạ xuất hiện ứng với điểm nàođó trên sợi thì có một xung đột biến. Tán xạ ngược qua các mối hàn sẽ biểu thị suy hao, nên đường cong tại đó có bậc thang. 3.2. PHƯƠNG PHÁP ĐO KIỂM CÁP QUANG : 3.2.1. Phương pháp đo thử độ bền cơ học của cáp : 3.2.1.1. Lực căng . Lực cang của cáp sau khi thử theo IEC - 794 - E1 phải đảm bảo các yêu cầu : -Sợi không gẫy. -Vỏcáp không rạn nứt. -Độ tăng suy hao không được vượt qua 0,1 dB. Phép đo thử khả năng chịu lực căng của cáp : -Mẫu thử là một đoạn cáp dài hơn 100m được lấy ra từ cuộn cáp cần đo (không cần phải cắt khỏi cuộn cáp). Nên để mẫu thử ở nhiệt độ phòng trong vòng 48 giờ trước khi đo thử. Hình 3.5. Sơ đồ mô hình thiết bị kiểm tra khả năng chịu lực kéo căng của cáp. -Phép thử được tiến hành tại nhiệt độ phòng theo mô hình như hình 3.5. Tăng lực căng liên tục tại tới giá trị lực căng theo yêu cầu (giá trị này được thoả thuận giữa nhà cung cấp và nhà khai thác), và giữ trong 5 phút. Kết thúc phép thử, để cáp ở trạg thái bình thường. Đo xác định sự thay đổi suy hao của cáp sau khi thử. 3.2.1.2. Va đập : Sau khi đập 10 lần bằng quả nặng có khối lượng 1 kg rơi từ độ cao 1m theo phép thử IEC-794 - 1E4. Yêu cầu cáp phải đảm bảo : -Sợi không gãy. -Vỏ cáp không bị rạn nứt. -Độ tăng suy hao không được vượt qua 0,1dB. Phép thử khả năng chịu lực va đập của cáp (theo IEC - 794 - 1E4). -Mẫu thử là cuộn cáp cần đo nên để ở nhiệt độ phòng trong vòng 48 giờ trước khi đo thử. Với dụng cụ thử cho phép một vật nặng rơi thẳng đứng từ trên cao xuống tác động vào cáp thử qua một tấm théo trung gian. Trọng lượng của quả nặng, độ cao của vật nặng rơi xuống, số lần va đập được điều chỉnh theo yêu cầu đặt ra. Kết thúc phép đo, để cáp ở trạng thái bình thường. Đo chính xác sự thay đổi suy hao của cáp sau khi thử. 3.2.1.3. Đo thử lực nén. Sau khi tác động một lực nén bằng trọng lượng của 1km cáp lên chiều dài cáp tối thiểu là 1mm trong thời gian 5 phút theo phép thử IEC - 794 - 1E3. Yêu cầu cáp phải đảm bảo : -Sợi không gãy. -Vỏ cáp không bị rạn nứt. -Độ tăng suy hao không được vượt qua 0,1dB. Phép đo thử khả năng chịu lực nén của cáp : -Mẫu thử là cuộn cáp cần đo nên để ở nhiệt độ phòng trong vòng 48 giờ trước khi đo thử. -Dụng cụ thử : dụng cụ thử được dùng để nén cáp theo mặt phẳng nằm ngang. Gồm 2 tấm thép phẳng, một tấm cố định, một tấm có thể di chuyển được như hình 3.6. Cạnh của tấm théo di chuyển được nên được làm tròn với bán kính 5mm. -Quy trình đo thử : + Kẹp mẫu cáp giữa hai tấm thép, đảm bảo sao cho mẫu thử không bị trượt theo phương nằm ngang. + Tác dụng lên tấm thép một lực nén bằng trong lượng của 1km cáp, trong khoảng thời gian 5 phút. Kết thúc phép thử, để cáp ở trạng thái bình thường (không chịu tác động của lực nén). Đo và xác định sự thay đổi suy hao của cáp sau khi thử. Hình 3.6. Mô hình kiểm tra khả năng chịu lực nén của cáp. 3.2.1.4. Phép đo thử độ xoắn . Cáp sau khi kiểm tra khả năng chịu lực xoắn theo phép thử IEC - 794 - 1E7, với số lần xoắn là 5 lần, chiều dài cáp thử nhỏ hơn 4m. Yêu cầu cáp phải đảm bảo : -Sợi không gãy. -Vỏ cáp không bị rạn nứt. -Độ tăng suy hao không được vượt qua 0,1dB. Phép đo thử khả năng chịu lực xoắn của cáp., -Mâũ thử là cuộn cáp cần đo nên để ở nhiệt độ phòng trong vòng 48 giờ trước khi thử . -Dụng cụ thử : gồm bàn kẹp cố định và một bàn kẹp xoay dùng để xoắn cáp theo phương nằm ngang. Mô hình được mổ tả như hình 3.7. Hình 3.7. Mô hình kiểm tra khả năng chịu lực xoắn của cáp. -Quy trình đo thử : + Kẹp một đầu cáp thử vào bàn kẹp cố định, một đầu cáp thử được kẹp vào bàn kẹp xoay, sao cho cáp không bị di chuyển trong quá trình thử nhưng cũng không được kẹp quá chặt làm thay đổi suy hao của cáp. Cáp được giữ cho luôn được căng nhờ quả nặng có khối lượng 25kg. + Xoay bàn kẹp theo chiều kim đồng hồ 1 góc 1800 với số lần quay theo yêu cầu. + Sau đó để cáp thử về vị trí ban đầu và xoay bàn kẹp theo chiều ngược kim đồng hồ một góc 1800 với số lần như trên. Kết thúc phép thử, để cáp ở trạng thái bình thường. Đo xác định độ suy hao của capsau khi thử. 3.2.2. Phương pháp đo thử về tác động của môi trường. 3.2.2.1. Nhiệt độ : (Đo thử theo phương pháp IEC-794-1-F1) a. Mục tiêu : Phương pháp đo này áp dụng cho cáp sợi quang khi tiến hành thử nghiệm thay đổi nhiệt độ theo chu kỳ nhằm xác định tính chất ổn định về suy hao của cáp khi thay đổi nhiệt độ. Sự thay đổi suy hao của cáp sợi quang có thể xẩy ra do thay đổi nhiệt độ nhìn chung là do kẹp hoặc các sợi quang bị kéo căng gây ra vì có sự khác nhau giữa hệ số giãn nở nhiệt của sợi với hệ số giãn nở nhiệt của thành phần gia cường và các lớp vỏ của cáp. Điều kiện thử nghiệm đối với phép đo này phải mô phỏng được các điều kiện xấu nhất. Thử nghiêm này có thể sử dụng để kiểm soát tính chất của cáp trong dải nhiệt độ lựa chọn, tính chất ổn định của suy hao sợi liên quan đến tình trạng bị uốn một cách đáng kể của các sợi trong cáp. b. Chuẩn bị mẫu : Mẫu là một đoạn cáp chế tạo có chiều dài vừa đủ như chỉ ra trong qui định kỹ thuật cụ thể, chiều dài thích hợp để đạt được độ chính xác mong muốn (VD : 1000 - 2000m) . Để nhận được giá trị tái lập, mẫu cáp phải được đưa vào tủ khí hậu ở dạng cuộn hoặc quấn trên lõi. Khả năng của sợi thích nghi với độ giãn nở và co vi sai có thể bị ảnh hưởng tới bán kính uốn của cáp. Vì vậy tình trạng của mẫu thử cần được thực hiện càng giống như điều kiện sử dụng bình thường càng tốt. Trong trường hợp thử nghiệm trên lõi quấn, cáp được quấn theo cách nào đấy để tất cả những thay đổi về đặc tính của cáp (suy hao, chiều dài...) có thể xuất hiện trong điều kiện sử dụng bình thường không thay đổi. Vấn đề đáng quan tâm là sự khác nhau giữa hệ số giãn nở của mẫu thử nghiệm và bộ phận đỡ (cuộn, thùng, tấm, v.v...) mà điều này có gây ra ảnh hưởng đáng kể đến kết quả thử nghiệm trong các chu kỳ nhiệt nếu các điều kiện “không ảnh hưởng” không được thực hiện một cách triệt để. c. Thiết bị : -Thiết bị đo suy hao thích hợp để xác định sự thay đổi của suy hao. -Tủ khí hậu : phải có kích thước thích hợp để chứa được mẫu và nhiệt độ của tủ phải điều khiển được để duy trì nhiệt độ thử nghiệm qui định trong phạm vi ± 30. d. Tiến hành thử nghiệm : Bước 1 : Kiểm tra cáp bằng mắt thường, tiến hành đo suy hao của cáp ở nhiệt độ ban đầu xác định. Điều kiện ổn định trước phải được thoả thuận giữa người mua và người bán. Bước 2 : -Mẫu ở nhiệt độ môi trường phải được đưa vào tủ khí hậu có cùng nhiệt độ. -Nhiệt độ trong buồng sau đó phải được hạ xuống đến nhiệt độ thấp TA với tốc độ giảm nhiệt thích hợp. -Sau khi đã đạt được độ ổn dịnh nhiệt độ trong tủ mẫu được lưu ở điều kiện nhiệt độ thấp này trong khoảng thời gian thích hợp T1. -Nhiệt độ trong tủ sau đó được nâng lên đến nhiệt độ cao TB với tốc độ tăng nhiệt thích hợp. -Sau khi đã đặt được độ ổn định nhiệt độ trong tủ mẫu được lưu ở điều kiện nhiệt độ cao này trong khoảng thời gian thích hợp t1. -Nhiệt dộ trong tủ sau đó được hạ xuống đến giá trị nhiệt độ môi trường với tốc độ thích hợp. -Quy trình này tạo thành 1 chu kỳ (xem hình 3-8). -Mẫu phải chịu hai chu kỳ nếu không có quy định nào khác trong qui định kỹ thuật cụ thể. -Quy định kỹ thuật liên quan phải chỉ ra : + Sự thay đổi suy hao và các kiểm tra trong quá trình ổn định. + Khoảng thời gian mà sau đó, chúng được thực hiện. -Trước khi đưa mẫu ra khỏi tủ ; mẫu thử nghiệm đã phải đạt tới độ ổn định nhiệt ở nhiệt độ môi trường. -Nếu quy định kỹ thuật liên quan chỉ ra dải nhiệt độ bảo quản và sử dụng là khác nhau thì thay cho hai thử nghiệm riêng biệt có thể tiến hành một thử nghiệm kết hợp với chu trình nhiệt như chỉ ra trên hình 3-9). -Giá trị TA, TB và t1 phải được tiêu chuẩn trong quy định kỹ thuật cụ th._.