Đo lường thông tin cáp sợi quang

Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

---------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ĐO LƢỜNG THÔNG TIN CÁP SỢI QUANG

Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Học viên: ĐÀO THỊ HẰNG

Ngƣời HD Khoa học: PGS.TS. LẠI KHẮC LÃI

THÁI NGUYÊN – 2012

Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƢỜNG ĐẠI HỌC

KỸ THUẬT CÔNG 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 công tác : Trƣờng Đại Học SPKT Nam Định

Cơ sở đào tạo : Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử

Khóa học : K13 - KTĐT

TÊN ĐỀ TÀI:

ĐO LƢỜNG THÔNG TIN CÁP SỢI QUANG

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

Trƣờng Đại học KTCN Thái Nguyên

Ngày giao đề tài: ........./....../.........

Ngày hoàn thành: ......./....../.........

GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN

PGS.TS Lại Khắc Lãi

HỌC VIÊN

Đào Thị Hằng

BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC

i

Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Đào Thị Hằng

Học viên lớp Cao học khoá 13- Kỹ thuật điện tử - Trƣờng ĐHKTCN Thái Nguyên

Xin cam đoan: Đề tài: “Đo lƣờng thông tin cáp sợi quang” là do tôi thực hiện

với sự hƣớng dẫn của PGS.TS. Lại Khắc Lãi. Đây không phải là bản sao chép của bất

kỳ một cá nhân, tổ chức nào.

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung mà tôi đã trình bày trong luận

văn.

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2012

Học viên

Đào Thị Hằng

ii

Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và làm luận văn tốt nghiệp, em đã nhận đƣợc sự

giúp đỡ tận tình của các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn Điện tử viễn thông - Khoa

Điện tử - Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Em xin bày tỏ lòng biết

ơn sâu sắc đến các thầy giáo, cô 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 không thể tránh đƣợc thiếu sót. Vì vậy, em rất mong đƣợc sự đóng

góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn đồng nghiệp.

Em xin chân thành cảm ơn!

Tác giả luận văn

Đào Thị Hằng

iii

Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU....................................................................................................................................1

CHƢƠNG 1: CÁC THÔNG 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 nguyên 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, nguyên 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 công 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 phô thuéc cña b-íc sãng c¾t....................................................................... 37

1.5. Các thông số hình học.........................................................................................36

1.6. Các yêu 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

Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/

2.2. Quy trình đo thử hệ thống cáp quang .................................................................45

2.2.1. Mục đính đo thử: ............................................................................................... 45

2.2.2. Các loại công 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. Nguyên lý hoạt động và sơ đồ tổng quát của máy đo OTDR........................... 53

3.1.2. Các thông 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. Nguyên 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 nguyên 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 hoàn công 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

Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/

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 ngoài ...............................................................8

Hình 1.8. Suy hao hàn nối do sự chênh lệch thông 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 Bm 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 công suất trƣờng gần .....................................................................32

Hình 1.28. Phân bố công suất trƣờng xa .......................................................................32

vi

Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/

Hình 1.29. Bƣớc sóng cắt là một hàm của độ dài sợi....................................................35

Hình 1.30. B-íc sãng c¾t C tïy thuéc vµo: (a) b¸n kÝnh uèn cong; (b) chiÒu dµi sîi..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. Nguyên lý đo phản xạ và tán xạ ngƣợc .........................................................44

Hình 2.6. Sự thay đổi công 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 xông.........................48

Hình 2.10. Sơ đồ đo suy hao tuyến cáp.........................................................................50

Hình 2.11. Sơ đồ đo nghiệm thu suy hao toàn trình......................................................50

Hình 3.1. Sơ đồ tổng quát của máy đo OTDR ..............................................................54

Hình 3.2. Công suất phản xạ của một sợi đồng nhất.....................................................55

Hình 3.3 Sự biến thiên của công suất phản xạ qua các chƣớng ngại vật khác nhau.....55

Hình 3.4 Sơ đồ phân bố công 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

Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/

MỞ ĐẦU

Ngày nay hệ thống thông tin phát triển mạnh như hũ bão, để đáp ứng được phần

nào sự bùng nổ thông tin trên toàn thế giới. Các mạng thông 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 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 nguồn kênh cực lớn.

Một số nước trên thế giới ngày nay, hệ thống truyền dẫn quang đã chiếm đa số

trên toàn bộ hệ thống truyền dẫn. Xu hướng mới hiện nay của ngành Viễn thông 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 công nghệ hiện đại, trong

những năm qua, ngành Bưu điện Việt Nam đã hoàn 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

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 các 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 sự cố

sảy ra trên tuyến.

Một trong những phương pháp để xác định các thông 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 cô giáo.

2

Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/

CHƢƠNG 1: CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA SỢI QUANG

1.1. SỰ SUY HAO CỦA SỢI QUANG

1.1.1. Định nghĩa

Công 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 quát của hàm số truyền công suất có

dạng:

P

10

.

0 10

L

L P x

(1.1)

Trong đó : P(0): Công suất ở đầu sợi (L = 0)

P(L): Công suất ở cự ly L (Km) tính từ đầu sợi

: Hệ số suy hao

Công 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 :

P1

= P(0) : Công suất đƣa vào đầu sợi

( ) P2 P L

: Công suất ở cuối sợi

Hệ số suy hao trung bình:

( )

( )

( / )

L Km

A dB dB Km

(1.3)

Trong đó : A: suy hao của sợi

L: chiều dài của sợi

1.1.2. Các nguyên nhân gây suy hao trên sợi quang

Các kết quả nghiên cứu cho thấy công suất quang truyền trên sợi bị thất thoát do hấp

thụ, tán xạ ánh sáng và khúc xạ qua chỗ sợi bị uốn cong. Ngoài ra, còn có thể kể thêm

suy hao do hàn nối và do hiệu suất ghép quang.

3

Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu http://lrc.tnu.edu.vn/

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 nguyên 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 không suy hao. Còn ở các bƣ

, quang năng bị hấp thụ và chuyển hóa

thành nhiệt năng.

Thủy tinh Silica (Si

O2

) 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 thông 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

thông 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