Các bài thí nghiệm thông tin quan (Phần 1)

151 trang phuongnguyen 3860

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Các bài thí nghiệm thông tin quan (Phần 1)", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

cac_bai_thi_nghiem_thong_tin_quan.pdf

Nội dung text: Các bài thí nghiệm thông tin quan (Phần 1)

Học viện kỹ thuật quân sự bộ môn thông tin – Khoa vô tuyến điện tử Biên dịch : nguyễn hữu kiên, mai văn quý, nguyễn văn giáo, mai thanh hải Các bài thí nghiệm thông tin quang (Dùng cho chuyên ngành điện tử viễn thông) Hà nội 2006
Mục lục Trang Mục lục 3 Tóm tắt nội dung 5 Lời nói đầu 9 H−ớng dẫn 11 Bài 1: Làm quen với bảng mạch 15 Bài 1.1 Làm quen với bảng mạch 19 Bài 1 2 Giới thiệu về các Hệ thống thông tin sợi quang 33 Bài 2: cáp quang và sợi quang 43 Bài 2.1 Tổn thất do tán xạ và hấp thụ 47 Bài 2 2 Các đầu nối (Connectors) và đánh bóng 59 Bài 2.3 Khẩu độ số và vùng lõi 76 Bài 2.4 Tổn hao do uốn cong và tán sắc hình thể 88 Bài 3: bộ phát quang (fiber optic transmitter) 102 Bài 3.1 Nguồn quang 106 Bài 3 2 Mạch điều khiển 120 Bài 3.3 Tiếp giáp Nguồn quang-Sợi quang 134 Bài 4: bộ thu quang (fiber optic receiver) 150 Bài 4.1 Bộ tách quang 153 Bài 4 2 Mạch đầu ra 165 Bài 5: Các hệ thống sợi quang (fiber optic 177 systems) Bài 5.1 Dự trữ công suất quang (Optical Power Budget) 181 Bài 5 2 Thiết bị kiểm tra sợi quang 196 Bài 6: Các hệ thống thông tin quang (fiber optic 210 communication systems) Bài 6.1 Thông tin t−ơng tự (Analog Communication) 212 Bài 6 2 Thông tin số (Digital Communication) 226 3
Bài 7: xử lý sự cố (troubleshooting) 244 Bài 7.1 Các cơ sở xử lý sự cố 249 Bài 7 2 Xử lý sự cố các mạch sợi quang 264 Bài 8: giao tiếp bộ vi xử lý (microprocessor 290 interface) Bài 8.1 Giao tiếp nối tiếp 292 4
Tóm tắt nội dung Bài 1: Làm quen với bảng mạch Phân biệt các khối chức năng trong bảng mạch Fiber Optic Communications. Mô tả các thành phần cơ bản của một liên kết thông tin quang. Bài 1.1: Làm quen với bảng mạch Mô tả và định vị các khối chức năng trong bảng mạch Fiber Optic Communications. Mô tả các thành phần cơ bản của một liên kết thông tin quang. Bài 1.2: Giới thiệu về các hệ thống thông tin sợi quang Mô tả các thành phần cơ bản của một liên kết thông tin quang. Trình diễn hoạt động của liên kết thông tin quang t−ơng tự và liên kết thông tin quang số Bài 2: Cáp sợi quang và sợi quang. Mô tả việc truyền ánh sáng qua sợi quang.Trình diễn các dạng suy hao quang do : lệch khẩu độ số, suy hao sợi, lệch vùng lõi, suy hao nối ghép (connector) và tổn thất do uốn cong. Bài 2.1: Tổn thất do tán xạ và hấp thụ. Tìm hiểu suy hao xảy ra khi ánh sáng truyền qua một cáp sợi quang. Bạn sẽ tính toán và đo đạc suy hao công suất qua một sợi quang. Bài 2.2: Các đầu nối (Connectors) và đánh bóng. Cắt và đánh bóng cáp sợi quang nhựa (plastic). Bạn cũng sẽ có khả năng phân biệt các suy hao trong các đầu nối sợi quang sử dụng các thiết bị đo hiển thị và các phép đo công suất. Bài 2.3: Khẩu độ số và vùng lõi. Giải thích và minh hoạ khẩu độ số ảnh h−ởng đến suy hao và suy hao bị ảnh h−ởng bởi vùng lõi nh− thế nào. Bạn sẽ tính toán suy hao do lệch khẩu độ số và vùng lõi và kiểm chứng các kết quả của bạn bằng các phép đo công suất t−ơng đ−ơng. 5
Bài 2.4: Tổn hao do uốn cong và tán sắc hình thể. Giải thích tại sao uốn cong sợi quang lại làm tăng suy hao, các chế độ truyền ảnh h−ởng nh− thế nào đến tán sắc và tại sao tán sắc làm hạn chế băng thông cuả sợi quang. Bạn sẽ đ−ợc tính toán băng thông đối với một độ dài cuả sợi quang và kiểm tra suy hao uốn cong bằng các phép đo công suất t−ơng đ−ơng. Bài 3: Bộ phát quang (Fiber optic Transmitter). Phân biệt, mô tả, trình bày về các bộ phận của bộ phát quang. Bài 3.1: Nguồn quang. Mô tả các nguồn quang đ−ợc sử dụng trong các hệ thống thông tin quang mà chúng chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang. Bài 3.2: Mạch điều khiển. Mô tả các mạch dùng để tạo giao tiếp một tín hiệu t−ơng tự hay một tín hiệu số tới một nguồn quang. Bài 3.3: Tiếp giáp Nguồn quang-Sợi quang. Mô tả các yếu tố tạo suy hao tại tiếp giáp Nguồn quang-Sợi quang trong một bộ phát quang. Bài 4: Bộ thu quang (Fiber optic receiver). Phân biệt, mô tả, trình bày về các bộ phận của bộ thu quang. Bài 4.1: Bộ tách quang. Mô tả thiết bị đ−ợc sử dụng trong các hệ thống thông tin quang mà chúng chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện. Bài 4.2: Mạch đầu ra. Mô tả các mạch thu t−ơng tự và các mạch thu số dùng để tạo giao tiếp với bộ tách quang. Bài 5: Các hệ thống sợi quang (Fiber optic systems). Diễn giải và trình diễn các phép đo, kiểm tra đ−ợc thực hiện trên các hệ thống quang và một dự trữ công suất quang đối với một liên kết sợi quang. Bài 5.1: Dự trữ công suất quang (Optical Power Budget). Giải thích về một dự trữ công suất quang áp dụng cho một liên kết quang sợi trên bảng mạch của bạn. 6
Bài 5.2: Thiết bị kiểm tra sợi quang. Mô tả thiết bị kiểm tra và các kỹ thuật sử dụng để phục vụ các hệ thống sợi quang. Bài 6: Các hệ thống thông tin quang (Fiber optic communication systems). Mô tả và trình diễn các liên kết thông tin quang. Bài 6.1: Thông tin t−ơng tự (Analog Communications). Mô tả và trình diễn các đặc tính quan trọng của một liên kết thông tin quang t−ơng tự. Bài 6.2: Thông tin số (Digital Communications). Mô tả và trình diễn một liên kết thông tin quang số sử dụng một tín hiệu số mã hoá Manchester RS-232 ghép phân kênh theo thời gian. Bài 7: Xử lý sự cố (Troubleshooting). Khoanh vùng các sự cố trong hệ thống thông tin quang bằng cách sử dụng các kỹ thuật xử lý sự cố một cách logic và hệ thống. Bài 7.1: Các cơ sở xử lý sự cố. Xử lý sự cố một hệ thống thông tin quang bằng việc sử dụng chỉ dẫn đ−ợc đ−a ra trong bài tập này. Bài 7.2: Xử lý sự cố cácmạch sợi quang. Khắc phục các sự cố của các mạch thông tin quang bằng cách sử dụng các kiến thức mạch của bạn và các ph−ơng pháp khắc phục sự cố đã đ−ợc giới thiệu trong bài 7.1. Bài 8: Giao tiếp bộ vi xử lý (microprocessor interface). Giải thích và trình diễn việc truyền và thu các dữ liệu số từ một bộ vi xử lý trên cổng RS-232 của bảng mạch Fiber optic communication và cáp sợi quang. Bài 8.1: Giao tiếp nối tiếp. Giao diện của bảng mạch Fiber optic communication với bảng mạch 32 bit microprocessor. Trình diễn việc truyền và thu dữ liệu vi xử lý thông qua một cổng RS-232 và một liên kết thông tin quang. 7
Lời mở đầu Nhiều thế kỷ qua, việc sử dụng ánh sáng để truyền thông tin đã trở thành một mục tiêu hấp dẫn. Tuy thế, chỉ trong vòng hai chục năm trở lại đây các hệ thống thông tin quang mới trở thành hiện thực và mang lại lợi ích kinh tế thật sự. Một ví dụ điển hình là sự tiến bộ nhanh chóng trong lĩnh vực công nghệ chế tạo cáp sợi quang. Số các hệ thống thông tin quang hiện hành và dự định lắp đặt đã tăng nhanh. Trong t−ơng lai không xa, mọi thông tin nh− hội nghị truyền hình, TV quảng bá sẽ đ−ợc truyền qua các liên kết sợi quang. Với Bảng mạch Thông tin quang (Fiber Optic Communications) bạn sẽ đ−ợc cung cấp các kiến thức về cấu hình, hoạt động, ph−ơng pháp chuẩn đoán và khắc phục sự cố trong các hệ thống thông tin quang qua các mạch sau: - Bộ phát và bộ thu quang số. - Bộ phát và bộ thu quang t−ơng tự. - Mạch Phototransistor. - Các Diode phát (Led). - Các bộ sợi quang thuỷ tinh. - Các bộ sợi quang nhựa. - Các bộ giao tiếp sợi quang. Các bài thực hành minh hoạ mô tả các nguyên lý sợi quang. Trong các quá trình mỗi bài thực hành bạn đ−ợc trang bị các kiến thức cơ bản, tích luỹ kinh nghiệm và khả năng thực hành, ứng dụng thực tế về công nghệ cáp sợi quang. Các thay đổi mạch và các sự cố giả định đ−ợc đ−a vào giúp bạn làm quen với việc khoanh vùng, chuẩn đoán và cô lập sự cố trong các hệ thống thông tin quang. Mỗi nội dung đều bao gồm phần giới thiệu lý thuyết cơ bản và phần h−ớng dẫn các b−ớc thực hành để giúp các bạn có đ−ợc cơ sở lý thuyết vững chắc và kinh nghiệm thực hành thành thạo. 9
H−ớng dẫn Bạn cần làm quen với các thông tin trong H−ớng dẫn này để đạt đ−ợc kết quả tốt khi thực hiện các công việc và các bài thực hành trên bảng mạch Fiber optic communication. Hãy nghiên cứu kỹ các chỉ dẫn tr−ớc khi bắt đầu các thí nghiệm của bạn. Nếu bạn gặp khó khăn trong việc thực hiện các bài thực hành, hãy xem lại các quy tắc sau đây tr−ớc khi gọi ng−ời h−ớng dẫn: *Kết nối bảng mạch với tấm đế: - Hãy đừng tháo, lắp bảng mạch khi tấm đế đang bật nguồn. A. Nếu bạn có tấm đế với các nguồn ngoài có thể điều chỉnh đ−ợc thì hãy luôn thiết lập lại các nguồn tr−ớc khi bạn lắp bảng mạch vào tấm đế. Th−ờng xuyên kiểm tra các điện áp nguồn bởi vì ai đó có thể đã làm thay đổi các giá trị đó. Hãy thực hiện các thủ tục sau để điều chỉnh các điện áp d−ơng, âm về giá trị ±15V (Nếu bạn không có các bộ nguồn ngoài điều chỉnh đ−ợc, tấm đế của bạn sẽ có các nguồn cố định ±15V mà nó không yêu cầu hiệu chỉnh). 1. Bật các nguồn d−ơng và nguồn âm. Hãy sử dụng đồng hồ vạn năng của bạn để đo các điện áp theo trình tự sau ngay cả khi các nguồn đó có các vôn kế lắp sẵn. Đồng hồ của bạn vẫn tin cậy hơn các dụng cụ đo khác. 2. Hãy đo nguồn âm và điều chỉnh đầu ra của nó đến –15.0V ±3% nếu cần thiết. Hãy đo nguồn d−ơng và điều chỉnh đầu ra của nó đến +15V ±3% nếu cần thiết (Đáp ứng yêu cầu về dung sai thận trọng trong khoảng ±3%). B. Tắt các bộ nguồn. C. Hãy mở đầu nối (Connector) trên tấm đế bằng cách xoay núm xoay trên s−ờn phải của tấm đế về vị trí Open. Hãy đừng dùng sức, núm xoay đó cần đ−ợc mở với lực hợp lý, vừa phải. D. Lắp bảng mạch vào tấm đế bằng cách tr−ợt nó dọc theo các đ−ờng rãnh trong tấm đế. Hãy chắc chắn rằng đầu cắm đã ăn khớp hoàn toàn vào trong khe cắm ở thành sau tấm đế. E. Khoá đầu nối của tấm đế bằng cách vặn núm xoay về phía bạn 1/4 vòng. F. Hãy tham khảo phụ lục E để xác định nếu bạn cần bộ đệm dao động 11
(generator buffer). Nếu nó đ−ợc yêu cầu, hãy cắm nó vào vị trí đã đ−ợc dành riêng trên bảng mạch. G. Bật các nguồn cung cấp. *các công tắc thay đổi mạch: Trên tấm đế của hệ thống dùng trong học tập có trang bị 20 công tắc thay đổi mạch (đ−ợc gọi là các chuyển mạch CM nhân công). Các chuyển mạch này làm thay đổi giá trị linh kiện, ngắn mạch hoặc hở mạch trong các khối trên bảng mạch. Cần tuân thủ các quy định sau đây khi sử dụng các chuyển mạch CM: A. Mỗi chuyển mạch CM sẽ ngắt (hở mạch) khi núm CM quay về phía bạn. Nó sẽ bật (nối mạch) khi nó xoay về phía đối diện với bạn (xoay ra) B. Hãy đừng khi nào bật đồng thời hai chuyển mạch CM. C. Các b−ớc thực hành hoặc xem xét các câu hỏi sẽ h−ớng dẫn cho bạn khi nào nên bật chuyển mạch nào. Hãy nhớ tắt các chuyển mạch này nếu không bạn sẽ để quên chúng trong trạng thái mở. *đo và sai số phép đo: Phụ lục C cung cấp các h−ớng dẫn về ph−ơng pháp đo còn phụ lục D cung cấp các thông tin về các thao tác đo. Bạn cần đọc các phụ lục này nếu bạn gặp bất kỳ một vấn đề về thao tác đo này. Các kết quả của bạn đ−ợc chấp nhận nếu chúng trong khoảng sai số cho phép. Các dung sai trong các phép đo và tính toán đ−ợc chỉ ra trong các phụ lục A và B. Nếu dung sai không cho tr−ớc thì các kết quả phép đo trong bản h−ớng dẫn này đ−ợc chấp nhận nếu chúng trong khoảng ±30% so với giá trị danh định. *các thông tin kèm theo: A. Đối với các bảng mạch cần các tín hiệu mức thấp từ bộ tạo tín hiệu luôn có một khối mạch ATTENUATOR (bộ suy hao). Khối ATTENUATOR chia đầu ra của bộ tạo tín hiệu theo hệ số 10 để tiện cho việc điều chỉnh biên độ. Nếu bạn sử dụng khối suy hao ATTENUATOR , hãy chắc chắn đo biên độ tín hiệu tại đầu ra của khối ATTENUATOR, chứ không phai đo tại đầu ra của bộ tạo tín hiệu GENERATOR hoặc bộ đệm GENERATOR BUFFER. B. Tấm đế của hệ thống F.A.C.E.T có 12 công tắc tạo sự cố d−ới vỏ khoá. Trong bài xử lý sự cố, Giáo viên h−ớng dẫn sẽ sử dụng các công tắc này để đ−a các sự cố vào trong các khối mạch và bạn sẽ xử lý các sự cố đó. Nếu 12
bạn đo thấy các giá trị bất th−ờng trong một bài thí nghiệm, thậm chí sau khi đã kiểm tra nhiều lần các mạch của bạn, các chuyển mạch CM, và các giá trị điện áp nguồn thì hãy yêu cầu Giáo viên h−ớng dẫn kiểm tra xem các công tắc sự cố đã tắt hay ch−a. C. Tổng thể, hệ thống F.A.C.E.T đ−ợc thiết lập để sử dụng cho một hoặc một vài vấn đề xem xét, sao cho bạn không cần tháo nó ngay sau khi thực hiện mỗi nội dung. Khi bạn đã hoàn thành toàn bộ các công việc của bạn trong ngày hãy gỡ tất cả các kết nối trên bảng mạch và tắt các nguồn cung cấp tr−ớc khi tháo đầu cắm của tấm đế và tháo bảng mạch ra khỏi tấm đế. Hãy xếp gọn bảng mạch và các đầu nối nh− khi Giáo viên h−ớng dẫn đã trao cho bạn. *Bản kê các thiết bị Bản thống kê sau đây chỉ ra các thiết bị cần thiết để thực hiện các bài thực hành trên bảng mạch Lab-Volt F.A.C.E.T DIGITAL COMMUNICATIONS 2. Tên gọi Số l−ợng Số hiệu Ghi chú Tấm đế F.A.C.E.T 1 AS91000-00 1 Bảng mạch FIBER OPTIC 1 AS91025-00 COMMUNICATIONS Oscilloscope 2 tia có đầu đo x10 1 Lab-Volt 793 hoặc t−ơng đ−ơng Nguồn kép 15VDC 1A 1 Lab-Volt 1245 hoặc 2 t−ơng đ−ơng Các dụng cụ thí nghiệm của 1 Lab-Volt 1247 hoặc 2 Lab-Volt: t−ơng đ−ơng Đồng hồ vạn năng Máy phát chuẩn ~/Π 1. F.A.C.E.T AS91000-00 yêu cầu nguồn kép. F.A.C.E.T AS91030-00 đã có nguồn kép bên trong nên không yêu cầu nguồn ngoài. 2. Các khoản bao gồm trong Model 1242 F.A.C.E.T. Dụng cụ hệ thống bao gồm đồng hồ vạn năng, bộ nguồn kép và máy phát chuẩn. 13
Bài 1 giới thiệu về bảng mạch thông tin quang Introduction to the FIBER OPTIC CIRCUIT BOARD Mục đích: Phân biệt các khối khác nhau trên bảng mạch FIBER OPTIC COMMUNICATIONS. Mô tả các phần cơ bản của một liên kết thông tin quang. Giới thiệu chung: Từ xa x−a, loài ng−ời đã biết sử dụng ánh sáng để liên lạc. Các tiền bối của chúng ta dùng những đốm lửa nhỏ để báo hiệu cho nhau. Các ngọn hải đăng đ−ợc sử dụng để cảnh báo tầu thuyền hàng ngàn năm nay. Các tàu thuyền cũng sử dụng các nháy sáng để truyền và thu các bản tin dùng mã Morse. - Ngày nay, các hãng viễn thông dùng ánh sáng và các sợi quang để truyền các tín hiệu thoại, video, và số liệu trên các vùng rộng lớn trên thế giới. - Sợi quang là một lĩnh vực công nghệ sử dụng các sợi mảnh, mềm, trong suốt để truyền ánh sáng. Công nghệ sợi quang kết hợp việc sử dụng ánh sáng, quang học, và điện tử để truyền thông tin. - Các sợi trong suốt, đ−ợc gọi là sợi quang, đ−ợc chế tạo từ thủy tinh hoặc chất dẻo. ánh sáng đ−ợc đ−a vào tại một đầu của sợi quang, truyền dọc theo sợi, và đi ra ở đầu kia của sợi. - ánh sáng đ−ợc truyền qua một sợi quang (đôi khi còn gọi là ống dẫn quang), có nhiều ứng dụng. Nó đ−ợc sử dụng để truyền các tín hiệu số, tín hiệu thoại, tín hiệu video. Nó cũng đ−ợc ứng dụng để thiết kế các bức tranh, cảm biến từ xa, và chỉ thị từ xa. Các cáp sợi quang, có thể bao gồm nhiều sợi quang, có rất nhiều −u thế so với việc sử dụng cáp dây đồng. Các −u thế của các cáp sợi quang là: Băng thông rộng: Sợi quang có thể điều khiển các tín hiệu tới 1THz (terahertz), nó cho phép truyền số liệu tốc độ cao tới 10 Gbps (t−ơng đ−ơng 625 000 trang văn bản trong một giây, hoặc 65 000 cuộc thoại đồng thời trên một sợi quang). Suy hao thấp: Suy hao tín hiệu thấp trong cáp sợi quang cho phép chỉ cần dùng ít bộ lặp (khi truyền đi xa). Khả năng tránh ảnh h−ởng bức xạ điện từ: Sợi quang không bị ảnh h−ởng của các tr−ờng điện từ, nh− các nhiễu vô tuyến điện, và cũng không tạo ra các nhiễu xạ điện từ. 15
Trọng l−ợng nhẹ: Sợi quang nhẹ hơn chín lần và vì thế nó là rất quý đối với công nghiệp hàng không. Kích th−ớc nhỏ: Sợi quang cho phép tiết kiệm không gian trong máy bay và trong tàu ngầm. An toàn: Sợi quang không tạo các nguy cơ tia lửa điện và cũng không thu hút sấm chớp. Bảo mật: Sợi quang không bức xạ năng l−ợng, vì thế nghe trộm bất hợp pháp là vô cùng khó khăn. Độ bền: Sợi quang có khả năng chống ăn mòn và có độ bền gấp 20 lần so với thép. Khi làm việc với cáp sợi quang bạn cần tuân thủ các quy tắc an toàn sau: Không đ−ợc nhìn trực diện vào đầu sợi quang. Nguồn sáng có thể là lazer hoặc lazer Led, nó có thể đốt cháy thật sự các tổ chức tế bào sống trong mắt và làm bạn bị mù lòa vĩnh viễn. Thông th−ờng, bạn không thể tin chắc rằng nguồn sáng có phải là kiểu lazer hay không và rằng nó đã đ−ợc tắt hay ch−a, và vì thế không đ−ợc nhìn thẳng vào đầu sợi quang. Không đ−ợc cố tình bẻ một sợi quang thủy tinh mà không bảo vệ mắt và da bạn một cách thận trọng. Các mảnh thủy tinh rất nhỏ hơn sợi tóc ng−ời có thể đâm vào da và dịch chuyển theo máu, gây các th−ơng tích nghiêm trọng Trong bài tập đầu tiên, bạn sẽ đ−ợc làm quen với 12 khối chức năng trên bảng mạch. Bạn sẽ tìm hiểu và trình diễn các mạch sợi quang thông dụng và ứng dụng trong thực tế nh− thế nào. Bộ phát FIBER OPTIC TRANSMITTER Tín hiệu vào Mạch Nguồn Mối ghép điều khiển quang Nguồn-sợi quang Sợi quang Mối ghép Mạch ra Tín hiệu ra Sợi-bộ tách quang Bộ tách quang Bộ thu FIBER OPTIC RECEIVER Mô hình hệ thống thông tin quang Trong bài tập thứ hai, bạn sẽ học các phần cơ bản của một liên kết thông tin quang. Bạn sẽ trình diễn hoạt động của một liên kết thông tin quang t−ơng tự và một liên kết thông tin quang số. 16
Các khái niệm và từ mới: - Liên kết dữ liệu Data Link : là một liên kết truyền tin cho phép truyền dữ liệu số. - Cáp đôi Duplex cable: là một kiểu cáp quang gồm 2 sợi quang . - Quang sợi Fiber optics: Kỹ thuật truyền ánh sáng qua sợi quang. - D∙y cổng lập trình đ−ợc FPGA (Field-programmable Gate Array): Vi mạch mật độ tích hợp cao có thể đặt cấu hình với các chức năng riêng do ng−ời sử dụng đặt. - Thủ tục bắt tay Handshaking: Một ph−ơng pháp điều khiển l−u l−ợng giữa hai trạm khi trao đổi thông tin. - Hồng ngoại InfraRed (IR): Một dạng bức xạ năng l−ợng với b−ớc sóng giữa 770 nm –1000 nm, nó thấp hơn dải nhìn thấy của phổ điện từ, một kiểu ánh sáng không nhìn thấy. - IRED InfraRed Emitting Diode : Một loại Led của bộ chuyển đổi đầu ra mà nó bức xạ hồng ngoại thay vì ánh sáng nhìn thấy khi xung tới. - Manchester:Một ph−ơng pháp mã hóa đ−ờng truyền l−ỡng pha khi các bít dữ liệu đ−ợc tổ hợp với các bit nhịp thông qua một hàm XOR (loại trừ OR). Mã hóa Manchester tạo ra chuyển tiếp tín hiệu trong mỗi thời gian bit. - Sợi đa mode Multimode fibers:Kiểu của sợi quang mà nó cho phép ánh sáng truyền theo nhiều đ−ờng. Loại sợi này dùng với nguồn quang Led. - Sợi quang Optical fibers : Còn gọi là ống dẫn quang, ống quang, là một thanh thủy tinh hoặc chất dẻo mảnh, mềm, mà ánh sáng có thể truyền qua nó. Nó bao gồm một lõi bên trong và lớp vỏ bên ngoài. Sợi quang đ−ợc chứa trong các cáp quang. - Photodiode: Là loại diode cảm quang, độ dẫn của nó phụ thuộc c−ờng độ ánh sáng chiếu vào. - Phototransistor: Là loại Transistor cảm quang, mà dòng collector của nó phụ thuộc c−ờng độ ánh sáng chiếu vào. - Cáp đơn Simplex cable: Loại cáp chỉ có một sợi quang. - Sợi quang đơn mode Singlemode fiber (Monomode fiber): Kiểu sợi quang chỉ cho ánh sáng truyền theo một đ−ờng. Nó th−ờng đ−ợc dùng cùng nguồn quang Lazer 17
Các thiết bị cần thiết: - Tấm đế FACET - Bảng mạch FIBER OPTIC COMMUNICATIONS - Nguồn 15Vdc (Nếu cần) - Đồng hồ vạn năng - Oscilloscope hai tia - Máy phát sóng chuẩn, sine. 18
Bài tập 1-1 giới thiệu về bảng mạch FIBER OPTIC COMMUNICATIONS. Mục đích: Làm quen với các khối chức năng của bảng mạch. Sơ bộ tìm hiểu về tính năng và cách thức tiến hành các công việc thí nghiệm trên các khối của bảng mạch. Giới thiệu chung: 12 khối chức năng trên bảng mạch cho phép bạn tiến hành các thí nghiệm về các ph−ơng pháp thu-phát qua hệ thống thông tin quang. 12 sự cố cơ bản đã đ−ợc kết hợp trong cấu trúc mạch để thách thức và rèn luyện khả năng khắc phục sự cố của bạn trong bài 7. Khối nguồn POWER SUPPLY cung cấp các điện áp ổn định +5V và -5V cho tất cả các mạch điện trong bảng mạch. Bảng mạch có thể đ−ợc cấp nguồn từ bộ nguồn có sẵn trong tấm đế FACET hoặc từ một bộ đổi nguồn AC adapter mà đầu ra của nó nối đến jack POWER trên bảng mạch. Một Led chỉ thị nguồn có trên bảng mạch để thông báo có nguồn cung cấp Công tắc POWER chỉ đ−ợc vận hành khi bảng mạch đ−ợc sử dụng ngoài tấm đế. Không dùng nó khi bảng mạch đã cắm vào tấm đế. Jack HIGH cung cấp một logic HIGH cho các công việc dạng số. Khi sử dụng các khối DIGITAL RECEIVER, DIGITAL TRANSMITTER, hoặc RS-232 INTERFACE (cũng dạng số) thì các cầu +5V và -5V trên khối POWER SUPPLY phải đặt về vị trí DIGITAL. 19
Khi sử dụng các khối MIC AMPLIFIER, ANALOG TRANSMITTER, ANALOG RECEIVER, AUDIO AMPLIFIER thì các cầu +5V và -5V trên khối POWER SUPPLY phải đặt về vị trí ANALOG. Các khối PHOTO TRANSISTOR và LIGHT EMMITING DIODES không bị ảnh h−ởng bởi các cầu cấp nguồn. Khối AUDIO AMPLIFIER khuếch đại các tín hiệu thoại đ−ợc đ−a đến nối vào AUDIO IN. Tín hiệu đã qua khuếch đại đ−ợc nối đến mạch loa SPEAKER ngay bên trong bảng mạch khi cầu AUDIO OUT đặt ở vị trí SPKR. Loa bị tắt khi cầu AUDIO OUT đặt về vị trí NC. 1. Bạn sẽ điều chỉnh mức nghe của bộ khuếch đại âm tần nh− thế nào? a. Cấm loa (tắt) b. Bằng việc điều chỉnh triết áp VOLUME. c. Bằng việc tắt nguồn. Khối mạch loa SPEAKER chứa một loa 45Ω, nó cho phép nghe thấy sự thay đổi của các tín hiệu trên bo mạch. Khối mạch RS-232 INTERFACE có bộ ghép kênh 4 đ−ờng theo thời gian (TDM) để cung cấp một giao diện với máy tính và thực hành sử dụng sợi quang. Nó cung cấp một liên kết dữ liệu qua sợi quang để thu dữ liệu dạng nối tiếp từ một máy tính hoặc một thiết bị nào đó qua cổng RS-232 hoặc truyền số liệu đến máy tính đó. - Thủ tục bắt tay đầy đủ (Full handshaking) đ−ợc bảo đảm, cũng nh− các kỹ thuật mã hóa, giải mã Manchester qua giao diện này. - Phần việc quan trọng đ−ợc thực hiện bởi IC lập trình đ−ợc FPGA (Field 20
Programable Gate Array). - Một strip kiểm tra 30 chân TP1 cho phép kiểm tra các điểm đối với các tín hiệu FPGA. Bạn sẽ sử dụng TP1 để phát triển và tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của mạch này. - Dãy kiểm tra 9 chân TP2 cho phép kiểm tra các chân của cổng nối tiếp RS-232 khi nó đ−ợc nối với một máy tính. - Các led ở bên trái của dãy này chỉ thị trạng thái của mỗi tín hiệu t−ơng ứng trên cổng RS-232. Led đỏ chỉ thị tín hiệu t−ơng ứng đang ở mức cao, Led xanh – mức thấp. Khối DIGITAL RECEIVER thu tín hiệu từ bộ thu quang FIBER OPTIC RECEIVER. Tín hiệu thu đ−ợc từ DIGITAL RECEIVER chuyển thành dữ liệu số và đ−a ra ở jack DATA OUT. Khối DIGITAL TRANSMITTER điều khiển bộ FIBER OPTIC TRANSMITTER. Nó chuyển dữ liệu số từ jack DATA IN thành tín hiệu điều khiển phát đối với FIBER OPTIC TRANSMITTER. Khối ANALOG RECEIVER chuyển tín hiệu thu đ−ợc từ khối FIBER OPTIC RECEIVER thành dạng tín hiệu t−ơng tự để đ−a ra đầu ra R-OUT. - Tín hiệu từ R-OUT có thể đ−ợc đ−a đến bộ khuếch đại âm tần AUDIO AMPLIFIER tại jack AUDIO IN hoặc đ−a đến một đầu nối phono tại jack VIDEO OUT. - Núm điều chỉnh khuếch đại GAIN cần đặt khuếch đại bằng 1 khi ANALOG RECEIVER đ−ợc sử dụng trong một liên kết thông tin quang. 21
2. Cần đặt cầu nối FOR về vị trí nào để nối FIBER OPTIC RECEIVER đến jack R-IN của ANALOG RECEIVER ? a. DIGITAL b. ANALOG Khối phát ANALOG TRANSMITTER chuyển tín hiệu t−ơng tự từ jack A-IN thành tín hiệu điều khiển FIBER OPTIC TRANSMITTER. Tín hiệu đầu vào tại T-IN có thể đ−ợc đ−a đến từ đầu ra của MIC AMPLIFIER (từ MIC OUT) hoặc từ một đầu nối phono (VIDEO IN) Khối PHOTO TRANSISTOR đ−ợc dùng để đo mức công suất t−ơng ứng của ánh sáng đ−ợc phát ra ở đầu cuối sợi quang. - Điện áp tại điểm kiểm tra EMITTER chỉ ra c−ờng độ ánh sáng t−ơng ứng. - Đối với các mức ánh sáng thấp nh− tín hiệu từ sợi thủy tinh thì cầu RANGE cần đặt ở vị trí LO - Đối với các mức ánh sáng cao nh− tín hiệu từ sợi chất dẻo thì cầu RANGE cần đặt ở vị trí HI Tỉ lệ của hai công suất là 100:1 Khối MICROPHONE chứa một microphone Electret 2KΩ đ−ợc nối sẵn đến đầu vào của bộ khuếch đại mic MIC AMPLIFIER. Nó cho phép có thể tạo các tín hiệu âm thanh trên bo mạch bằng cách nói vào mic. Khối MIC AMPLIFIER khuếch đại các tín hiệu âm thanh từ mic đ−ợc nối sẵn trên bo mạch. Tín hiệu sau khuếch đại đ−ợc đ−a ra jack MIC OUT. Mức tín hiệu ra có thể điều chỉnh bằng núm LEVEL. 22
Khối LIGHT EMMITING DIODES có 3 nguồn sáng khác nhau. Mỗi đèn led phát ra một b−ớc sóng khác nhau. Từ trái qua phải là led đỏ, led xanh và led hồng ngoại. - Khi bo mạch đ−ợc cấp nguồn thì 3 led này đ−ợc mở. - Đầu cuối của sợi thủy tinh hoặc sợi chất dẻo có thể đ−ợc đặt trên mỗi led đó - Khối mạch này cho phép so sánh các nguồn sáng này trong các thí nghiệm của bạn. Các sợi quang đi kèm với bo mạch có hai độ dài khác nhau: 1m và 5m. Thêm vào đó chúng còn khác nhau về chất liệu: Loại sợi thủy tinh với đ−ờng kính lõi 62.5 àm và loại sợi chất dẻo với đ−ờng kính lõi 1000 àm. Chúng sẽ đ−ợc so sánh thông qua các thí nghiệm. Cáp đơn (simplex) thủy tinh hoặc chất dẻo đ−ợc trang bị các đầu cắm đực (connector) kiểu ST mà chúng sẽ đ−ợc dùng để cắm với các khối FIBER OPTIC TRANSMITTER và FIBER OPTIC RECEIVER. Các connector này cũng đ−ợc dùng phổ biến trong các hệ thống thông tin quang. Các connector của các FIBER OPTIC TRANSMITTER và FIBER OPTIC RECEIVER trên bo mạch có các chụp cao su bảo vệ chống bụi bẩn và các mảnh vụn. Tr−ớc khi sử dụng cáp quang, hãy gỡ bỏ các chụp đậy các connector của cáp và của bo mạch. Khi kết thúc công việc, hãy đậy các chụp này lại để bảo vệ các connector của cáp và của bo mạch. 23
Các b−ớc Thực hành: 1. Tìm khối POWER SUPPLY và nhẹ nhàng đẩy công tắc POWER lùi lại và tiến lên. 2. Led POWER sáng, sau đó tắt, đúng hay sai? a. Đúng b. Sai 3. Đặt đồng hồ về chế độ đo điện áp một chiều VDC, nối đầu đất của đồng hồ với jack GND. L−u ý: Tất cả các điểm đất trên bo mạch đã đ−ợc nối với nhau, vì vậy tốt nhất hãy nối que âm của đồng hồ hoặc của oscilloscope với jack GND gần nơi phép đo đ−ợc tiến hành. 4. Tạm thời nhấc bỏ cầu khỏi dãy 3 chân +5V và đo nguồn cấp +5V trên chân giữa của dãy 3 chân đó. Ghi kết quả đo : +VS = VDC 5. Đặt lại cầu +5V vào vị trí ANALOG. 6. Tạm thời nhấc bỏ cầu khỏi dãy 3 chân -5V và đo nguồn cấp -5V trên chân giữa của dãy 3 chân đó. Ghi kết quả đo : -VS = VDC 7. Đặt lại cầu -5V vào vị trí ANALOG. 8. Nối một cầu nối từ jack MIC OUT trên khối MIC AMPLIFIER đến jack AUDIO IN trên khối AUDIO AMPLIFIER. 9. Đặt núm LEVEL của MIC AMPLIFIER tại vị trí 1/4 động trình kể từ vị trí CCW. 10. Đặt núm VOLUME của MIC AMPLIFIER về vị trí cực đại và đặt cầu AUDIO OUT về vị trí SPK 11. Dùng ngón tay gõ nhẹ hoặc gãi trên mặt Micro hoặc thổi với độ mạnh thay đổi vào micro. Nếu thấy có hiện t−ợng tự kích hãy điều chỉnh núm LEVEL đến khi không còn tự kích. 24
12. Bạn có nghe thấy các tác động của mình trên loa? a. Có b. Không 13. Gỡ bỏ cầu nối giữa jack MIC OUT với jack AUDIO IN. 14. Dùng đồng hồ đo trở kháng giữa jack AUDIO IN của AUDIO AMPLIFIER và jack AUDIO IN của ANALOG RECEIVER và ghi kết quả đo Rai = Ω 15. Tháo bỏ đồng hồ. Bây giờ bạn sẽ thực hành truyền tín hiệu t−ơng tự qua sợi quang. 16. Tìm khối ANALOG TRANSMITTER. Nối đầu đo CH1 của oscilloscope và máy phát sóng đến jack T-IN. 17. Đặt máy phát sóng để tạo tín hiệu 1 Vp-p, 1000 Hz, sine. 18. Chuyển đầu đo CH1 của oscilloscope đến jack T-OUT 19. Trên khối PHOTO TRANSISTOR đắt cầu RANGE về vị trí HI và nối đầu đo CH2 của oscilloscope đến điểm EMITTER 20. Dùng sợi quang thủy tinh 1m (có các connector kiểu ST ở hai đầu và đ−ợc ký hiệu “62.5/125”) để nối từ connector của khối FIBER OPTIC TRANSMITTER đến lỗ trên tấm nhựa bên trên khối PHOTO TRANSISTOR 25
21. Để định hình cho CATHODE và ANODE của khối FIBER OPTIC TRANSMITTER phải đặt các cầu nối hai cực về vị trí nào khi nối chúng đến khối ANALOG TRANSMITTER? a. ANALOG b. DIGITAL 22. Hãy đặt các cầu nối hai cực đó về vị trí ANALOG. 23. Dạng sóng nào bạn quan sát thấy trên kênh CH2 của oscilloscope ? a. Hình sine b. Xung vuông c. Răng c−a d. Không xác định 24. Tháo bỏ sợi quang khỏi khối PHOTO TRANSISTOR. Bây giờ bạn quan sát thấy gì trên kênh CH2 của oscilloscope ? a. Hình sine b. Xung vuông c. Răng c−a d. Không xác định 25. Lắp lại sợi quang đến khối PHOTO TRANSISTOR. 26. Tháo bỏ các đấu nối đến khối ANALOG TRANSMITTER 27. Chuyển cầu RANGE trên khối PHOTO TRANSISTOR về vị trí LO. Chuyển sợi quang từ khối FIBER OPTIC TRANSMITTER sang Led đầu tiên bên trái của khối LIGHT EMMITING DIODES (Led đỏ) 28. Tháo bỏ đầu đo CH2 của oscilloscope ra khổi điểm EMITTER và nối vào đó đồng hồ đo. Đặt chế độ đo điện áp một chiều VDC 29. Xác định mức điện áp trên điểm EMITTER của khối PHOTO TRANSISTOR (Vred) Vred = mVDC (112) 30. Bạn nhận thấy gì trên mặt đồng hồ khi chuyển cầu RANGE sang vị trí HI. Nghĩa là mức điện thay đổi thế nào? a. Giảm b. Tăng c. Không nhận thấy d. Không thay đổi 31. Chuyển cầu RANGE trở về vị trí LO 32. Chuyển sợi quang từ Led đỏ sang Led xanh. r41 ds16 ds17 ds18 33. Xác định mức điện áp trên điểm EMITTER của khối PHOTO red green ired r39 r40 TRANSISTOR (Vgreen) Vgreen = mVDC (9) 26
34. Chuyển sợi quang từ Led xanh sang Led hồng ngoại. 35. Xác định mức điện áp trên điểm EMITTER của khối PHOTO TRANSISTOR (Vinfrared) Vinfrared = mVDC (2.2) 36. Gỡ bỏ các đấu nối đến khối PHOTO TRANSISTOR 37. Nguồn quang nào cho mức điện cao hơn trên điểm EMITTER? a. Đỏ (red) b. Xanh (green) c. Hồng ngoại (Infrared) Bây giờ thực hành truyền tín hiệu số qua sợi quang 38. Đặt cả hai cầu trên khối POWER SUPPLY về vị trí DIGITAL 39. Xác định khối thu tín hiệu số DIGITAL RECEIVER. Tín hiệu vào của khối này th−ờng đ−ợc đ−a từ đâu? a. Từ khối MIC AMPLIFIER b. Từ khối FIBER OPTIC RECEIVER c. Từ đầu ra của khối AUDIO AMPLIFIER 40. Xác định khối phát tín hiệu số DIGITAL TRANSMITTER. Sử dụng cầu nối để nối jack DATA IN với jack GND trong khối POWER SUPPLY. 41. Nối đầu đo CH1 của oscilloscope đến jack DATA IN. Đặt CH1 theo 2V/div DC 42. Trong khối PHOTOTRANSISTOR đặt cầu RANGE về vị trí LO, nối đầu đo CH2 của oscilloscope với vị trí EMITTER. Đặt CH2 theo 2V/div DC 43. Dùng sợi quang thủy tinh 1m (có các connector kiểu ST ở hai đầu và đ−ợc ký hiệu “62.5/125”) để nối từ connector của khối FIBER OPTIC TRANSMITTER đến lỗ trên tấm nhựa bên trên khối PHOTO TRANSISTOR 27
44. Để định hình cho CATHODE và ANODE của khối FIBER OPTIC TRANSMITTER phải đặt các cầu nối hai cực về vị trí nào khi nối chúng đến khối DIGITAL TRANSMITTER? a. ANALOG b. DIGITAL 45. Hãy đặt các cầu nối hai cực đó về vị trí DIGITAL. 46. Dạng sóng nào bạn quan sát thấy trên kênh CH2 của oscilloscope ? a. Mức +5VDC b. Mức 0VDC c. Hình sine d. Xung vuông 47. Chuyển cầu nối DATA IN từ jack GND sang jack HIGH trong khối POWER SUPPLY 48. Dạng sóng nào bạn quan sát thấy trên kênh CH2 của oscilloscope ? a. Mức +5VDC b. Mức 0VDC c. Hình sine d. Xung vuông 49. Tháo sợi quang ra khỏi khối PHOTO TRANSISTOR L−u ý: Trong vùng sáng của tia quang bạn có thể che photo transistor bằng ngón tay của bạn 50. Bạn có quan sát thấy trên CH2 của oscilloscope mức logic HIGH đã đ−ợc truyền qua sợi quang không? a. Có b. Không 51. Tìm khối RS-232 INTERFACE. - 4 tín hiệu đầu vào tại cổng có thể đ−ợc truyền qua liên kết dữ liệu quang đó là Tx, DTR, RTS, DCD. - 4 tín hiệu đầu ra tại cổng có thể đ−ợc truyền qua liên kết dữ liệu quang đó là Rx, DSR, CTS, DCD. - Bằng việc đặt cầu DCD bạn có thể hoặc là phát, hoặc là thu tín hiệu DCD qua liên kết dữ liệu đó 28
52. Đặt cầu DCD về vị trí T (Phát). Đối với các tín hiệu ra từ cổng nối tiếp thì các Led đỏ chỉ thị mức logic cao (HIGH), còn Led xanh chỉ thị mức logic thấp (LOW) 53. Dùng dây nối màu đen để nối V- trên TP2 tới chân Tx của cổng nối tiếp (RS-232) trên TP2. Điều này nghĩa là tín hiệu Tx đ−ợc đặt mức logic thấp. Tín hiệu Tx đ−ợc ghép kênh cùng 3 tín hiệu vào khác. Tín hiệu đã ghép tại TDATA có thể đ−ợc đ−a đến jack DATA IN của khối DIGITAL TRANSMITTER để phát tất cả 4 tín hiệu qua sợi quang. Đầu ra của DIGITAL RECEIVER – tín hiệu DATA OUT có thể đ−ợc đ−a đến jack RDATA để tách kênh. Tín hiệu từ RDATA sẽ đ−ợc tách ng−ợc trở lại thành các tín hiệu ra trên cổng nối tiếp RS-232. 54. Sử dụng một dây nối để nối jack TDATA đến jack RDATA, nh− thế đầu ra bộ ghép đ−ợc nối với đầu vào bộ tách. Tín hiệu Tx đến cổng nối tiếp sẽ đ−ợc tách để tạo ra tín hiệu ra Rx. 55. Quan sát các Led Tx và Rx. Trạng thái của các Led này thế nào? a. Cả hai đều cao (HIGH) b. Cả hai đều thấp (LOW) c. Tx cao, còn Rx thấp d. Tx thấp, còn Rx cao 56. Chuyển dây nối mầu đen từ điểm V- trên TP2 sang điểm V+ trên TP1 (nối Tx với V+) 57. Quan sát các Led Tx và Rx. Trạng thái của các Led này thế nào? a. Cả hai đều cao (HIGH) b. Cả hai đều thấp (LOW) c. Tx cao, còn Rx thấp d. Tx thấp, còn Rx cao 29
58. Nối CH1 của oscilloscope với jack TDATA, điều chỉnh oscilloscope để thiết lập chế độ hiển thị phù hợp 59. Dạng sóng nào bạn quan sát thấy trên kênh CH1 của oscilloscope ? a. Xung vuông b. 4 kênh đ−ợc tách c. 4kênh đ−ợc ghép thành một tín hiệu 60. Gỡ toàn bộ các đấu nối trên tấm mạch. 30
Kết luận: Trongbài tập này bạn nhận thấy rằng: - Có các khối phát và các khối thu khác nhau trên bảng mạch. Một cặp dành cho tín hiệu số (DIGITAL) và một cặp khác dành cho tín hiệu t−ơng tự (ANALOG) - Các khối FIBER OPTIC TRANSMITTER và FIBER OPTIC RECEIVER có thể đ−ợc dùng chung cho cả liên kết thông tin số và liên kết thông tin t−ơng tự. - Bốn khối âm tần trên bảng mạch có thể đ−ợc sử dụng cho liên kết thông tin t−ơng tự. - Khối RS-232 INTERFACE có thể đ−ợc sử dụng để truyền tín hiệu số. - Khối nguồn POWER SUPPLY cần đ−ợc đặt đối với từng chế độ hoạt động ANALOG hay DIGITAL - Khối LIGHT EMMITING DIODES đ−ợc trang bị nh− các nguồn quang dùng cho các mục đích kiểm tra - Khối PHOTO TRANSISTOR đ−ợc trang bị nh− một công cụ đo mức công suất t−ơng ứng của nguồn quang (quang năng) 31
Các câu hỏi trắc nghiệm: 1. Trong quy trình sử dụng khối AUDIO AMPLIFIER cần đặt cầu +5V của khối POWER SUPPLY về vị trí nào ? a. POWER b. DIGITAL c. HIGH d. ANALOG 2. Khối PHOTO TRANSISTOR đ−ợc dùng để đo tham số t−ơng ứng nào của tín hiệu quang? a. Công suất b. B−ớc sóng c. Tần số d. Màu 3. Khối MIC AMPLIFIER đ−ợc dùng khuếch đại tín hiệu âm tần từ Micro. Tín hiệu từ đầu ra của nó (MIC OUT) th−ờng đ−ợc đ−a đến đầu vào của khối nào? a. ANALOG RECEIVER b. DIGITAL RECEIVER c. ANALOG TRANSMITTER d. DIGITAL TRANSMITTER 4. Có bao nhiêu cầu nối 2 cực cần phải định hình đối với khối FIBER OPTIC TRANSMITTER ? a. 1 c. 3 b. 2 d. 4 5. Có bao nhiêu khối có triết áp phải điều chỉnh? a. 1 c. 3 b. 2 d. 4 32
Bài tập 1-2: giới thiệu về thông tin quang FIBER OPTIC COMMUNICATIONS Mục đích: Khi thực hiện bài tập này bạn sẽ có khả năng mô tả và chỉ ra các thành phần cơ bản của một liên kết quang. Bạn sẽ tìm hiểu về hoạt động của tuyến thông tin quang t−ơng tự và tuyến thông tin quang số. Thuyết minh: Sợi quang có thể đ−ợc dùng để truyền thông tin t−ơng tự nh− âm thanh, hình ảnh hoặc có thể đ−ợc dùng để truyền các thông tin dạng số nh− dữ liệu máy tính. Các tín hiệu âm thanh, hình ảnh đã số hóa cũng có thể đ−ợc truyền qua sợi quang. Một liên kết quang (Fiber optic link) bao gồm các thành phần cơ bản sau: Bộ phát FIBER OPTIC TRANSMITTER Tín hiệu vào Mạch Nguồn Mối ghép điều khiển quang Nguồn-sợi quang Sợi quang Mối ghép Tín hiệu ra Sợi-bộ tách quang Bộ tách quang Mạch ra Bộ thu FIBER OPTIC RECEIVER Mô hình hệ thống thông tin quang - Một mạch điều khiển (Driver circuit) - Một nguồn quang (Light source) - Một giao tiếp nguồn quang –sợi (Source-to-fiber connection) - Một sợi quang (Optical fiber) - Một giao tiếp sợi quang-bộ tách quang (Fiber-to-detector connection) - Một bộ tách quang (Light detector) - Một mạch ra (Output circuit) Mạch điều khiển (Driver circuit) th−ờng gồm một transistor để khống chế nguồn quang với một tốc độ cực lớn. Bằng việc sử dụng transistor nên có thể đóng mở nguồn quang công suất lớn. Tầng này nhận tín hiệu vào từ máy tính hoặc từ một thiết bị ngoại vi nào đó. Nguồn quang (Light source) là một Led hoặc một Laser. Nhiều kiểu Led khác nhau đ−ợc dùng làm nguồn quang. Chúng th−ờng bao gồm Laser, hồng ngoại và 33
các dạng ánh sáng thấy đ−ợc. Giao tiếp nguồn quang-sợi quang th−ờng bao gồm một connector trên một đầu cuối của sợi quang mà về mặt vật lý nó tiếp xúc với nguồn quang (trên bảng mạch là khối FIBER OPTIC TRANSMITTER) Sợi quang kết nối nguồn quang đến bộ tách quang. Nó bao gồm 2 phần cơ bản: lõi và vỏ. Cáp sợi quang chứa sợi quang, nó đ−ợc bảo vệ bằng lớp áo. Hàng loạt các lớp vật liệu đ−ợc sử dụng giữa sợi quang và lớp áo để giúp bảo vệ và tăng độ bền của cáp. Kích th−ớc của sợi quang đ−ợc biểu diễn chung bằng đ−ờng kính lõi và tiếp sau là đ−ờng kính vỏ theo àm 1. Sợi quang thủy tinh đ−ợc trang bị cùng bảng mạch là loại 62.5/125. Ký hiệu này nói lên điều gì? a. Đ−ờng kính lõi là 62.5àm đ−ờng kính áo là 125àm b. Đ−ờng kính lõi là 62.5àm đ−ờng kính vỏ là 125àm Giao tiếp sợi quang-bộ tách quang th−ờng bao gồm một connector trên một đầu cuối của sợi quang mà về mặt vật lý nó tiếp xúc với bộ tách quang (trên bảng mạch là khối FIBER OPTIC RECEIVER). Bộ tách quang th−ờng là một phototransistor hoặc photodiode. Nó làm nhiệm vụ chuyển đổi quang/điện (O/E). Mạch ra gia công (“làm sạch”) tín hiệu từ bộ tách quang để tạo thành tín hiệu ra khả dụng. Tầng này gửi tín hiệu ra đến một máy tính hoặc một thiết bị ngoại vi nào đó. 34
Một tổ hợp phát (FIBER OPTIC TRANSMITTER) gồm một mạch điều khiển, một nguồn quang và một giao tiếp nguồn quang-sợi quang. Một tổ hợp thu (FIBER OPTIC RECEIVER) gồm một giao tiếp sợi quang-bộ tách quang, một bộ tách quang và một mạch ra. Các b−ớc Thực hành: Tr−ớc tiên bạn sẽ thực hành thiết lập và phỏng tạo một liên kết t−ơng tự. 1. Đặt cả hai cầu trên khối POWER SUPPLY về vị trí ANALOG 2. Đặt các cầu nối hai cực CATHODE và ANODE của khối FIBER OPTIC TRANSMITTER về vị trí ANALOG 3. Cũng đặt các cầu nối hai cực FOR của khối FIBER OPTIC RECEIVER về vị trí ANALOG. 4. Dùng sợi quang thủy tinh 1m có các connector kiểu ST ở hai đầu và có ký hiệu “62.5/125”) để nối từ connector của khối FIBER OPTIC TRANSMITTER đến connector của khối FIBER OPTIC RECEIVER. 5. Nối một máy phát sóng đến jack T-IN của khối ANALOG TRANSMITTER. 6. Nối CH1 của oscilloscope đến T-IN và CH2 đến jack R-OUT của khối ANALOG RECEIVER. 7. Đặt máy phát sóng để tạo tín hiệu 1 Vp-p, 1000 Hz, sine trên CH1. 8. Điều chỉnh núm GAIN của khối ANALOG RECEIVER để nhận đ−ợc tín hiệu hình sine, 1 Vp-p, trên CH2 ? 35
9. Điều chỉnh núm GAIN này bạn đã đặt hệ số khuếch đại tổng thể nào? a. của khối ANALOG RECEIVER b. của toàn thể liên kết c. của khối ANALOG TRANSMITTER d. của FIBER OPTIC RECEIVER 10. Gỡ bỏ máy phát sóng và các đầu đo của oscilloscope. 11. Dùng các đầu nối 2 vị trí để nối MIC OUT tới T-IN của khối ANALOG TRANSMITTER 12. Dùng các đầu nối 2 vị trí để nối R-OUT của khối ANALOG RECEIVER đến jack AUDIO IN 13. Đặt núm LEVEL của khối MIC AMPLIFIER khoảng 1/4 động trình kể từ vị trí cuối CCW và đặt núm VOLUME của khối AUDIO AMPLIFIER đến vị trí tận cùng CW 14. Dùng ngón tay gõ nhẹ hoặc gãi trên mặt Micro hoặc thổi với độ mạnh thay đổi vào micro. Nếu thấy có hiện t−ợng tự kích hãy điều chỉnh núm LEVEL đến khi không còn tự kích. 15. Bạn có nghe thấy các tác động của mình trên loa? a. Có b. Không 16. Tháo bỏ đầu sợi quang phía khối FIBER OPTIC RECEIVER. 17. Lại gõ nhẹ hoặc gãi trên mặt Micro hoặc thổi với độ mạnh thay đổi vào micro 36
18. Bạn có nghe thấy các tác động của mình trên loa? a. Có b. Không Tiếp theo bạn sẽ thực hành thiết lập và phỏng tạo một liên kết số bằng việc truyền và thu các tín hiệu RS-232. 19. Đặt cả hai cầu trên khối POWER SUPPLY về vị trí DIGITAL 20. Đặt các cầu nối hai cực CATHODE và ANODE của khối FIBER OPTIC TRANSMITTER về vị trí DIGITAL 21. Cũng đặt các cầu nối hai cực FOR của khối FIBER OPTIC RECEIVER về vị trí DIGITAL. 22. Dùng sợi quang thủy tinh 1m có các connector kiểu ST ở hai đầu và có ký hiệu “62.5/125”) để nối một đầu với connector của khối FIBER OPTIC TRANSMITTER còn đầu thứ hai để hở (không nối) 23. Dùng cầu nối nối jack T-DATA của khối RS-232 INTERFACE đến jack DATA IN của khối DIGITAL TRANSMITTER 24. Nối jack DATA OUT của khối DIGITAL RECEIVER tới jack RDATA của khối RS-232 INTERFACE 25. Nối CH1 của oscilloscope đến DATA IN và CH2 đến DATA OUT 26. Đặt cầu DCD trên khối RS-232 INTERFACE về vị trí T 27. Sử dụng 4 dây đấu nối màu đen để nối 4 tín hiệu sau: OUT1 đến Tx, OUT2 đến DTR, OUT3 đến RTS, OUT4 đến DCD . 37
Đối với từng tín hiệu trên cổng nối tiếp có các đèn Led chỉ thị mức của chúng. Led đỏ t−ơng ứng mức logic cao +5V, Led xanh t−ơng ứng mức logic thấp -5V. Cả hai led đều tắt t−ơng ứng mức logic thấp 0V. 28. Quan sát 4 Led đỏ t−ơng ứng 4 tín hiệu đầu vào trên TP2. 4 Led đỏ nháy sáng và tắt? a. Đúng b. Sai 29. Nối đầu còn lại của cáp sợi quang với connector của khối FIBER OPTIC RECEIVER. Khi đ−ờng liên kết dữ liệu số đ−ợc thiết lập các tín hiệu vào và ra sau đây đ−ợc đ−a ra cổng nối tiếp : Vào Tx DTR RTS DCD Ra Rx DSR CTS Không 30. Quan sát 7 Led đỏ t−ơng ứng 4 tín hiệu đầu vào và 3 tín hiệu ra. Có phải trạng thái các Led đầu ra lặp lại trạng thái của các Led đầu vào t−ơng ứng? a. Đúng b. Sai 31. Điều gì xảy ra nếu tháo bỏ sợi quang khỏi khối FIBER OPTIC TRANSMITTER? a. Không có gì thay đổi. b. Tất cả các Led đều nháy sáng, tắt. c. Các Led đầu ra ngừng nháy. 32. Tháo bỏ tất cả các đấu nối trên bảng mạch. 38
Kết luận: Trongbài tập này bạn nhận thấy rằng: - Phần phát gồm một mạch điều khiển, một nguồn quang, một giao tiếp nguồn quang-sợi quang. - Phần thu gồm một giao tiếp sợi quang-bộ tách quang, một bộ tách quang và một mạch ra. - Một liên kết thông tin quang gồm phần phát và phần thu đ−ợc liên kết với nhau qua sợi quang. - Thông tin t−ơng tự nh− âm thanh, hình ảnh video có thể đ−ợc trao đổi qua một liên kết thông tin quang. - Thông tin số nh− dữ liệu máy tính có thể đ−ợc trao đổi qua một liên kết thông tin quang đ−ợc gọi là liên kết dữ liệu quang. - Một gián đoạn trong tuyến quang gây ra một gián đoạn thông tin trên liên kết. 39
Các câu hỏi trắc nghiệm: 1. Phần nào sau đây không cần trong liên kết thông tin quang? a. Nguồn quang. b. Sợi quang. c. RS-232 INTERFACE d. Bộ tách quang. 2. Khối FIBER OPTIC TRANSMITTER trên bảng mạch gồm: a. Mạch điều khiển. b. Nguồn quang. c. Bộ tách quang. d. Giao tiếp sợi quang-bộ tách quang. 3. Khối FIBER OPTIC RECEIVER trên bảng mạch gồm: a. Mạch điều khiển. b. Nguồn quang. c. Giao tiếp nguồn quang-sợi quang. d. Bộ tách quang. 4. Trên bảng mạch, có thể tìm thấy giao tiếp sợi quang-bộ tách quang trên khối a. FIBER OPTIC TRANSMITTER. b. FIBER OPTIC RECEIVER. c. LIGHT EMMITING DIODES. d. ANALOG TRANSMITTER. 5. Những gì có thể truyền qua liên kết thông tin quang a. Tín hiệu âm tần. Audio frequency b. Composite Video c. Các xung và dữ liệu. d. Tất cả các loại trên. 40
Kiểm tra bài 1 1. Phần nào thuộc sợi quang có đ−ờng kính ngoài nhỏ nhất ? a. Lõi của sợi quang chất dẻo. b. Lõi của sợi quang thủy tinh. c. Lớp áo của sợi quang chất dẻo. d. Lớp vỏ của sợi quang thủy tinh. 2. Để truyền các tín hiệu composite video qua một liên kết thông tin quang trên bảng mạch thì cầu –5V của khối POWER SUPPLY phải đặt ở vị trí nào? a. VIDEO b. DIGITAL c. AUDIO d. ANALOG 3. Một phototransistor có thể đ−ợc dùng để đo tham số nào của tín hiệu quang? a. Công suất b. B−ớc sóng c. Tần số d. Màu 4. Led nào trong khối LIGHT EMMITING DIODES phát công suất quang lớn nhất? a. Red (Đỏ) b. Yellow (Vàng) c. Green (Xanh) d. Infrared (Hồng ngoại) 5. Phần nào sau đây không thuộc thành phần cơ bản của một liên kết thông tin quang : a. Loa b. Sợi quang c. Nguồn quang d. Mạch ra. 6. Khối FIBER OPTIC TRANSMITTER trên bảng mạch gồm: a. Một mạch ra. b. Một nguồn quang. c. Một bộ tách quang. d. Một giao tiếp sợi quang-bộ tách quang. 7. Trong liên kết thông tin quang có thể tìm thấy giao tiếp sợi quang-bộ tách quang tại đầu ra của: a. Một mạch ra. b. Một nguồn quang. c. Một sợi quang. d. Một bộ tách quang. 8. Phần nào sau đây không thuộc thành phần cơ bản của một hệ thống truyền dẫn quang : a. Mạch điều khiển b. Nguồn quang. c. Giao tiếp nguồn quang-sợi. d. Mạch ra. 9. Khái niệm nào sau đây không phải là một khái niệm chung về sợi quang : a. Sợi quang. b. Cáp sợi quang. c. Cáp quang . d. ống dẫn quang. 41
10. Cái gì không thể truyền qua một liên kết thông tin quang : a. Bản tin thoại. b. Các tín hiệu truyền hình cáp c.Dữ liệu máy tính. d. Nguồn điện 42
Bài 2 cáp sợi quang và sợi quang . Mục đích: Tìm hiểu nguyên lý truyền ánh sáng qua sợi quang. Các tổn hao do khẩu độ số (NA), suy hao sợi, suy hao vùng lõi, suy hao connector và suy hao uốn cong. Kiến thức cơ bản: ánh sáng giống sóng vô tuyến điện nằm trong phổ điện từ. c Quan hệ giữa b−ớc sóng và tần số l = f ánh sáng nhìn thấy có b−ớc sóng trong khoảng 390ữ770 nm. Phổ hạt quang có thể sử dụng đối với thông tin quang. Sóng ánh sáng truyền từ nguồn quang theo đ−ờng thẳng. Tia sáng là đ−ợc biểu diễn bằng một mũi tên chỉ ph−ơng và h−ớng truyền sóng Sóng ánh sáng có cạnh dẫn phẳng gọi là mặt sóng Tia sáng vuông góc với mặt sóng. ánh sáng truyền trong chân không với vận tốc c = 300 000 Km/s và truyền qua thủy tinh với vận tốc v = 200 000 Km/s c Công thức tính chiết xuất : η = v trong đó : η - hệ số khúc xạ hay còn gọi là chiết xuất của vật liệu c – vận tốc ánh sáng truyền trong chân không v – vận tốc ánh sáng truyền trong vật liệu Sóng ánh sáng truyền trong không khí với vận tốc gần bằng 300 000 Km/s. Khi qua ranh giới giữa không khí và khối thủy tinh vận tốc của ánh sáng giảm chỉ còn 200 000 Km/s. Sóng ánh sáng tiếp xúc với khối thủy tinh theo một góc nghiêng làm cho một phần của mặt sóng đã đi vào bên trong thủy tinh mà phần còn lại vẫn ở ngoài không khí. Do có sự chênh lệch về vận tốc của các phần làm cho mặt sóng bị xoay, làm đổi h−ớng và làm cong tia sáng. Sự bẻ cong tia sáng khi nó chuyển dịch qua ranh giới giữa các vật liệu khác nhau đ−ợc gọi là hiện t−ợng khúc xạ. 43
Hình d−ới đây minh họa các khái niệm : Tia tới I1, Góc tới θ1, Tia khúc xạ I2, Góc khúc xạ θ2 và Tia phản xạ I3, Góc phản xạ θ3 I1 I3 θ1 θ3 Không khí η1=1 Thủy tinh θ2 η2=1.5 I2 Định luật Snell: η1sinθ1 = η2sinθ2 Khi ánh sáng đi qua một thay đổi về chiết xuất (từ môi tr−ờng η1 sang môi tr−ờng η2) một phần ánh sáng luôn bị phản xạ trở lại môi tr−ờng ban đầu. Phản xạ này đ−ợc gọi là phản xạ Fresnal. Góc phản xạ luôn bằng góc tới θ3 = θ1 Hình d−ới đây xem xét tr−ờng hợp tia sáng đi từ môi tr−ờng có chiết xuất cao η1 = 1.5 sang môi tr−ờng có chiết xuất thấp η2 = 1.0 Thủy tinh η1=1.5 I 1 I3 θ1 θ3 Không khí θ2 η2=1 I2 Ta thấy rằng khi qua ranh giới giữa hai môi tr−ờng, chiết xuất giảm làm tia sáng bị khúc xạ đi ra xa đ−ờng vuông góc, tức là θ2 > θ1 . Theo định luật Snell dễ 44
dàng nhận thấy rằng, khi θ1 tăng thì θ2 cũng tăng, và cũng theo định luật này, dễ * o dàng tìm đ−ợc giá trị θ1 = arc sin(η2/η1) mà tại đó θ2 = 90 , nghĩa là cả tia khúc * xạ cũng không đi ra môi tr−ờng thứ hai. Ng−ời ta gọi giá trị θ1 đó của góc tới là góc tới hạn. Khi góc tới lớn hơn góc tới hạn sẽ xảy ra hiện t−ợng phản xạ toàn phần. Nếu mặt trên và mặt d−ới của khối thủy tinh song song nhau thì sẽ tạo ra các hình chữ nhật và tia sáng sẽ truyền theo các đ−ờng chéo của các hình chữ nhật đó trong lòng khối thủy tinh. Trong điều kiện này góc tới tiếp sau bằng với góc phản xạ tr−ớc đó, và do đó cũng bằng với góc tới tr−ớc đó. Nh− vậy tia tới tiếp sau cũng sẽ có góc tới lớn hơn góc tới hạn và cũng gây nên phản xạ toàn phần. Cứ nh− thế, khối thủy tinh sẽ tác động tới tia sáng nh− một ống dẫn sóng, lái tia sáng tại các mặt tiếp giáp thủy tinh với không khí. θ1 θ 3 I1 I3 θ 1 θ3 θ1 θ3 η1=1.5 η2=1 Hình minh họa phản xạ toàn phần 45
Các thiết bị cần thiết: - Tấm đế FACET - Bảng mạch FIBER OPTIC COMMUNICATIONS - Bộ dụng cụ cắt và mài sợi quang KIT FIBER OPTIC POLISHING - Nguồn 15Vdc (Nếu cần) - Đồng hồ vạn năng - Oscilloscope hai tia - Máy phát sóng chuẩn, sine. 46
Bài tập 2-1 : Tán xạ và tiêu hao do hấp thu Mục đích: Giới thiệu về suy hao xảy ra khi ánh sáng truyền qua cáp sợi quang. Đo và tính toán suy hao, tổn hao công suất. Tóm l−ợc: -Sợi quang: Lõi, Vỏ, áo -Cáp sợi quang : Sợi quang, lớp đệm, - Connector ST lớp gia c−ờng, áo - Tất cả các cáp sợi quang đều bao gồm 2 phần chính: Sợi quang (fiber) và phần áo (Jacket). - Sợi quang gồm phần lõi (core) đ−ợc sơn phủ một lớp vỏ (cladding) - Lõi kết hợp với vỏ tạo thành một ống dẫn sóng mà nó lái tia sáng đi qua sợi quang. - Phần áo bảo vệ sợi quang và đảm bảo các tính năng cơ khí. - Sợi quang thủy tinh th−ờng đ−ợc bảo vệ bằng lớp gia c−ờng và lớp đệm. Các lớp này bảo vệ sợi quang chống va đập (shock) và uốn cong. - Đ−ờng kính sợi thủy tinh đủ nhỏ rất dễ xuyên qua da và gây ra các th−ơng tổn nguy hiểm. - Các cáp sợi quang trang bị cùng bảng mạch đã có bảo vệ để chống sự nhô ra ngoài của sợi quang. - Hãy đừng cố thử sửa chữa cáp hoặc các connector. Hãy bỏ ngay các cáp sợi quang thủy tinh có nguy cơ gây nguy hiểm. - Các cáp sợi quang thủy tinh đ−ợc ký hiệu với các chữ số “62.5/125” chỉ ra đ−ờng kính lõi và vỏ theo àm 47
Sợi quang chất dẻo đ−ợc cung cấp theo bảng mạch thí nghiệm là loại có chiết xuất nhảy bậc. Chiết xuất của nó thay đổi đột ngột tại tiếp giáp giữa lõi và vỏ. Chiết xuất lõi là 1.492, chiết xuất vỏ là 1.147. Đ−ờng kính lõi là 980àm, đ−ờng kính vỏ là 1000àm. ánh sáng truyền qua lõi sợi quang chất dẻo đ−ợc phản xạ bởi vỏ vì sự thay đổi nhảy bậc của chiết xuất. 1. Chiết xuất nhảy bậc dẫn ánh sáng qua lõi của nó bằng cách nào? a. bằng khúc xạ b. bằng phản xạ Chiết xuất của sợi quang thủy tinh “62.5/125” (đ−ờng kính lõi là 62.5àm, đ−ờng kính vỏ là 125àm) thay đổi một cách liên tục từ lõi ra vỏ. 48
2. Phần nào của sợi thủy tinh có chiết xuất cao hơn? a. lõi b. vỏ ánh sáng khi h−ớng từ lõi ra vỏ, do chiết xuất giảm dần làm cong dẫn tia sáng, làm tăng dần góc tới. Khi góc tới đủ lớn tia sáng phản xạ ng−ợc lại tâm. 3. Sợi quang chiết xuất liên tục dẫn ánh sáng qua lõi thế nào? a. Bởi khúc xạ b. Bởi cả khúc xạ và phản xạ Sợi quang không phải là ống dẫn sóng lý t−ởng. Một phần công suất quang bị tổn hao do hấp thụ và tán xạ (absorption and scattering). Sự pha tạp trong vật liệu sẽ gây ra hấp thụ một phần quang năng và làm tiêu hao nó nh− nhiệt. Mất mát do hấp thụ ảnh h−ởng bởi vật liệu và b−ớc sóng. Sự thay đổi về mật độ hoặc sự sắp xếp các thành phần vật chất trong chế tạo làm tán xạ một phần ánh sáng. Những khiếm khuyết tại tiếp giáp giữa vỏ và lõi 49
tạo thành các bờ cong nhỏ (microbend), cũng gây ra tán xạ. Tổn hao do tán xạ sẽ giảm khi b−ớc sóng tăng. Các nhà chế tạo cáp sợi quang đánh giá tổng tổn hao do tán xạ và hấp thụ của sợi quang theo dB/Km. 4. Giá trị suy hao −ớc tính đối với sợi quang chất dẻo là bao nhiêu khi nó đ−ợc sử dụng tại b−ớc sóng 820 nm? (2000 dB/Km) a. 2000 dB/m b. 200 dB/m c. 2 dB/m Các b−ớc Thực hành: Tr−ớc tiên bạn sẽ thực hành đo suy hao trên các sợi quang chất dẻo. 1. Dùng sợi quang chất dẻo 1m có các connector kiểu ST ở hai đầu để nối Led IRED với phototransistor. Cáp bị cong quá sẽ gây tổn hao ngoài ý muốn và làm xấu kết quả thí nghiệm. Hãy dùng các uốn nắn nhẹ nhàng và chống các đoạn cong không đáng có khi lắp đặt các cáp sợi quang. 2. Dùng cầu chuyển RANGE để chọn mức đo HI. 3. Nối đồng hồ DVM giữa EMITTER của khối PHOTO TRANSISTOR với điểm GND. ánh sáng tác động vào phototransistor điều khiển dòng quang của nó (Ip). Dòng quang của phototransistor đi qua điện trở 1 KΩ sẽ 50
tạo ra điện áp UE t−ơng ứng tỉ lệ với công suất quang. 4. Đo công suất quang t−ơng ứng đ−ợc tách bởi phototransistor và ghi kết quả 1m940 = mV 5. Dùng sợi quang chất dẻo 5m có các connector kiểu ST ở hai đầu để nối Led IRED với phototransistor. Chống cong cáp bằng việc sử dụng các vòng lớn. 6. Đo công suất quang t−ơng ứng đ−ợc tách bởi phototransistor và ghi kết quả 5m940 = mV 1m940 7. Dùng công thức sau: PR = 10 lg để tính tỷ lệ công 940 5m940 suất quang giữa hai độ dài khác nhau của sợi quang chất dẻo. Ghi kết quả: PR940 = .dB Tỷ lệ công suất giữa hai cáp là do suy hao khi chênh lệch 4m độ dài của cáp gây ra. 8. Tính tổn hao công suất quang theo dB/m LOSS940 = dB/m 9. Sử dụng hình vẽ để xác định suy hao −ớc tính theo dB/m cho cáp chất dẻo tại b−ớc sóng 940 nm (Hình vẽ cho thấy tại b−ớc sóng 940 nm cáp chất dẻo có suy hao −ớc tính là LOSS940.exp = 4000dB /Km). Tính theo dB/m và ghi kết quả LOSS940.exp = dB/m Mỗi đấu nối giữa các sợi quang làm suy hao ánh sáng. Sự thay đổi giữa các kết nối đ−a các lỗi vào trong tỉ lệ công suất nhận đ−ợc giữa sợi 1m và 5m. Các lỗi thêm vào bởi connector (suy hao connector có thể lên 51
đến 0.5 dB) 10. Giá trị nhận đ−ợc là 4±0.5 dB/m có phải là kết quả chấp nhận đ−ợc theo giá trị suy hao −ớc tính không? a. Có b. Không 11. Dùng sợi quang chất dẻo 1m có các connector kiểu ST ở hai đầu để nối Led RED với phototransistor. 12. Đo công suất quang t−ơng ứng đ−ợc tách bởi phototransistor và ghi kết quả 1m635 = mV 13. Dùng sợi quang chất dẻo 5m có các connector kiểu ST ở hai đầu để nối Led RED với phototransistor. 14. Đo công suất quang t−ơng ứng đ−ợc tách bởi phototransistor và ghi kết quả 5m635 = mV 15. Tính tổn hao công suất quang theo dB/m 1m635 LOSS = (10 lg ): 4 = dB/m 635 5m635 Tổn hao −ớc tính LOSS635.exp là 300 dB/km = 0.3 dB/m 52
16. Kết quả tính toán nhận đ−ợc có phù hợp với suy hao −ớc tính không? a. Có b. Không 17. Dùng sợi quang chất dẻo 1m có các connector kiểu ST ở hai đầu để nối Led GREEN (Led xanh) với phototransistor. 18. Đo công suất quang t−ơng ứng đ−ợc tách bởi phototransistor và ghi kết quả 1m565 = mV 19. Dùng sợi quang chất dẻo 5m có các connector kiểu ST ở hai đầu để nối Led GREEN với phototransistor. 20. Đo công suất quang t−ơng ứng đ−ợc tách bởi phototransistor và ghi kết quả 5m565 = mV 21. Tính tổn hao công suất quang theo dB/m 1m565 LOSS = (10 lg ): 4 = dB/m 565 5m565 Tổn hao −ớc tính LOSS565.exp là 300 dB/km = 0.3 dB/m 53
22. Kết quả tính toán nhận đ−ợc có phù hợp với suy hao −ớc tính không? (So với suy hao −ớc tính tra từ đặc tính cho ở đầu trang) a. Có b. Không B−ớc sóng Suy hao −ớc tính Suy hao đo đ−ợc nm dB/m dB/m Hồng ngoại IRED 940 4.00 4.00 Đỏ RED 635 0.3 0.28 Xanh GREEN 565 0.18 0.20 23. Suy hao trên sợi quang phụ thuộc b−ớc sóng? a. Đúng b. Sai 24. Theo bạn b−ớc sóng nào tạo ra suy hao công suất thấp nhất trong sợi quang chất dẻo? a. 940 nm b. 635 nm c. 565 nm Các nhà sản xuất sợi quang định rõ loại cáp chất dẻo sử dụng b−ớc sóng 650 nm vì nguồn quang màu đỏ hiệu quả hơn các nguồn quang xanh. Bây giờ tiến hành các phép đo suy hao trên các cáp thủy tinh. 25. Cầu RANGE trên PHOTO TRANSISTOR đặt về vị trí LO để chọn chế độ đo nhạy cảm hơn. 26. Dùng sợi quang thủy tinh 1m có các connector kiểu ST ở hai đầu để nối Led IRED với phototransistor. 27. Đo công suất quang t−ơng ứng đ−ợc tách bởi phototransistor và ghi kết quả 1m940 = mV 28. Dùng sợi quang thủy tinh 5m có các connector kiểu ST ở hai đầu để nối Led IRED với phototransistor. 54
29. Đo công suất quang t−ơng ứng đ−ợc tách bởi phototransistor và ghi kết quả 5m940 = mV 30. Tính tỷ lệ công suất giữa cáp 1m và cáp 5m : 1m940 PR = (10 lg ) = dB 940 5m940 31. Tính tổn hao công suất quang theo dB/m 1m940 LOSS = (10 lg ): 4 = dB/m 940 5m940 Tổn hao −ớc tính LOSS940.exp là 1.8 dB/km = 0.0018 dB/m Các kết nối connector có thể gây lỗi khoảng 1.2 dB trong các phép đo công suất t−ơng đ−ơng. Suy hao −ớc tính của loại sợi thủy tinh 62.5/125 tại b−ớc sóng 940 là 0.0018 dB/m 32. Điều gì th−ờng xảy ra đối với công suất t−ơng đ−ơng giữa các cáp thủy tinh 1m và 5m? a. Suy hao do sợi quang b. Suy hao do connector. 33. Nếu nguồn quang 1300 nm truyền qua 2 km cáp thủy tinh 62.5/125 thì suy hao do sợi −ớc tính là bao nhiêu? LOSS1300.exp là 0.52 dB/km 55
B−ớc sóng Suy hao −ớc tính Suy hao đo đ−ợc nm dB/m dB/m Đối với các cáp chất dẻo chiết xuất nhảy bậc kích th−ớc 980/1000àm Hồng ngoại IRED 940 4.00 4.00 Đỏ RED 635 0.3 0.28 Xanh GREEN 565 0.18 0.20 Đối với các cáp thủy tinh chiết xuất liên tục kích th−ớc 62.5/125àm Hồng ngoại IRED 940 0.0018 Hồng ngoại IRED 1300 0.00052 34. Loại sợi quang nào có suy hao nhỏ nhất trên một đơn vị chiều dài? a. Sợi quang thủy tinh b. Sợi quang chất dẻo 56
Kết luận: Suy hao sợi là do tán xạ và hấp thụ gây nên Suy hao sợi có thể đ−ợc xác định bằng so sánh độ dài khác nhau của loại sợi đã cho. Đơn vị đo tổn hao sợi là dB/km Suy hao sợi tăng theo chiều dài của sợi. Suy hao sợi phụ thuộc b−ớc sóng. Suy hao sợi phụ thuộc chất liệu sợi. 57
Các câu hỏi trắc nghiệm: 1. Trong hệ thống thông tin quang sử dụng loại sợi thủy tinh “62.5/125”, dài 10km , hoạt động tại b−ớc sóng 940 nm. Làm thế nào để giảm suy hao của hệ thống đó? a. Dùng sợi dài hơn. b. Dùng loại sợi chất dẻo. c. Hoạt động tại b−ớc sóng 1500 nm d. Không dùng các cách trên 2. Trong hệ thống thông tin quang sử dụng loại sợi chất dẻo, hoạt động tại b−ớc sóng 940 nm. Làm thế nào để giảm suy hao của hệ thống đó? a. Dùng loại sợi có độ suy hao thấp hơn ở b−ớc sóng 940 nm b. Dùng sợi có độ dài ngắn hơn. c. Hoạt động tại b−ớc sóng 565 nm a. Các cách trên đều đúng. 3. Hai cáp sợi quang khác nhau chỉ về độ dài. Khi nối chúng giữa cùng một nguồn quang và một bộ tách quang thì cáp 2 m cho công suất ra 10 àW, còn cáp 8 m cho công suất ra 1àW. Hãy tính suy hao t−ơng đ−ơng của loại cáp này theo dB/m? a. [10 lg(10àW/1àW)]/(8m-2m). b. [20 lg(10àW/1àW)]/(8m-2m). c. [10 lg(8m/2m)]/(10àW-1àW). d. [20 lg(10àW/1àW)]/8m. 4. Suy hao quang xảy ra trong một sợi quang do: a. Một ống dẫn sóng lý t−ởng. b. Tán xạ và hấp thụ. c. Trở kháng và dung l−ợng. d. B−ớc sóng. +5v 5. DVM mắc ở Emitter của phototransistor Q1 chỉ thị gì? DVM a. Điện áp nguồn cung cấp cho Q1 Q1 b. công suất t−ơng ứng của ánh sáng đến Q1 c. Giá trị suy hao sợi theo dB/m 1K d. Không phải các điều trên. 58
Bài tập 2-2 : connector và đánh bóng Mục đích: - H−ớng dẫn cách cắt và đánh bóng sợi quang chất dẻo - Nhận biết tổn hao trong các tiếp nối quang sử dụng kiểm tra bằng trực quan và bằng đo công suất Thuyết minh: - Hai tia sáng song song truyền ra khỏi một sợi quang và đi vào sợi quang thứ hai. Do hai đầu sợi quang lệch nhau nên chỉ có một tia đi vào sợi quang thứ hai và truyền tiếp, tia thứ hai bị lệch khỏi sợi quang thứ hai và bị mất. 1. Làm thế nào để cả hai tia đều đi vào sợi quang thứ hai? a. Đồng chỉnh các đầu sợi quang. b. Thay đổi b−ớc sóng. - Các connector làm giảm suy hao bằng các giữ cho các sợi quang của chúng đ−ợc đồng chỉnh với nhau. - Các bộ phận chính của một connector sợi quang : ống giữ sợi, đai ghép, ống dẫn và vòng đệm. + ống chứa sợi (Ferrule) là một hình trụ chứa sợi quang. Sợi quang đ−ợc đặt trong lỗ trục của ống chứa sợi, chỉ có đầu của sợi quang hở ra ở đầu cuối của ống chứa sợi. Sợi quang đ−ợc gắn chặt trong trục ống chứa sợi bằng keo dính hoặc lớp nhăn. 59
+ ống dẫn (ống mặt ngoài, ống ghép nối) dùng để định h−ớng và định vị các ống giữ sợi, đồng chỉnh một cách chính xác các ống chứa sợi. Các sợi quang đ−ợc giữ đồng tâm bên trong ống chứa sợi làm cho các đầu sợi quang đ−ợc đồng chỉnh khi các ống chứa sợi đ−ợc đồng chỉnh với nhau. Các ống này đ−ợc chế tạo từ gốm, kim loại hoặc nhựa. Các connector gốm có độ chính xác cao hơn, cho chất l−ợng nối ghép tốt nhất, sau đó đến các connector kim loại và cuối cùng là các connector chất dẻo. Suy hao do connector theo dB đ−ợc ghi bởi các nhà sản xuất. Một đấu nối thông th−ờng gây suy hao khoảng 0.5 dB - Tia sáng đi vào đầu sợi quang phải đi qua một thay đổi tăng chiết xuất xảy ra tại giáp ranh giữa không khí và lõi sợi quang. Do tia sáng đi từ môi tr−ờng có chiết xuất thấp (không khí η1 =1) vào môi tr−ờng có chiết xuất cao hơn (lõi sợi quang chất dẻo có η1 =1.492) nên nó bị bẻ cong về phía đ−ờng vuông góc với mặt tiếp giáp. Công thức Snell cho phép xác định góc khúc xạ : η1sinθ1 = η2sinθ2 ⇒ θ2 = arcsin (η1sinθ1/η2) o - Nếu tia sáng từ không khí đi vào sợi quang chất dẻo với góc tới là θ1 = 20 thì o o góc khúc xạ θ2 = arcsin (1sin20 /1.492) = 13 60
-Tia sáng sau khúc xạ đi tiếp và đập vào lớp vỏ. Góc khúc xạ thứ nhất và góc * * o tới thứ hai θ1 phụ nhau, vì vậy, θ1 = 90-13 = 77 . Nh− vậy tại tiếp giáp lõi và vỏ tia sáng có góc tới là 77o. * * o 2. Góc khúc xạ θ2 là bao nhiêu nếu góc tới θ1 là 77 ? a. 13o. b. 68o c. 77o. d. Không phải các điều trên - Xem xét tia sáng thứ hai song song tia sáng thứ nhất, tuy nhiên, tia sáng này tiếp xúc với lõi tại vị trí có khuyết tật của bề mặt lõi sợi quang làm cho góc tới thay đổi thành 0o . Góc khúc xạ tại tiếp giáp không khí-sợi cũng bằng 0o, vì thế góc tới tại tiếp giáp lõi và vỏ chỉ còn là là 70o. 3. Góc khúc xạ tại tiếp giáp lõi và vỏ là bao nhiêu nếu góc tới là 70o ? a. 70o. b. 77o c. 82o. d. Không phải các điều trên η=1. 417 η=1 η=1.492 * * θ1 θ2 θ2 θ1 Một khiếm khuyết trên bề mặt sợi quang làm tán xạ ánh sáng, làm tăng tổn hao. Để giảm tán xạ thì đầu sợi quang phải đ−ợc gia công bằng dụng cụ chuyên dụng gọi là lapping film. Loại film này có thể tạo ra bề mặt phẳng trong khoảng 0.05àm Các thao tác thực hành : Tán xạ đầu sợi quang-Đánh bóng-Connector 1. Tìm đoạn sợi quang nhựa không có các connector ở hai đầu trong bộ dụng cụ. Để đảm bảo sai số độ dài sợi thấp hơn 0.1 dB thì sợi quang không đ−ợc dài 61
quá 1.3m và không ngắn hơn 66 cm. Nếu sợi quang ngắn hơn 66 cm thì cần đổi sợi quang khác. Tất cả các công việc cắt, đánh bóng sẽ đ−ợc tiến hành trên đoạn sợi quang đó. H∙y đừng thử sửa hoặc đánh bóng các cáp sợi quang đ∙ có các connector . 2. Tìm bộ cắt trong bộ dụng cụ. - Để phần phẳng của l−ỡi cắt h−ớng về phía cáp mà bạn muốn giữ lại. - Đảm bảo chắc chắn rằng l−ỡi cắt đã để đúng vị trí và vuông góc với cáp. - Cắt mỗi đầu khoảng 1/8 inch (0.3cm). Đo công suất t−ơng đ−ơng qua sợi quang ch−a đánh bóng: 3. Đặt sơn RANGE của khối phototransistor về vị trí HI. 4. Nối một DVM (đồng hồ) giữa Emitter của phototransistor với GND. 5. Dùng sợi quang nhựa vừa cắt để nối led RED (635 nm) với phototransistor. 6. Đo điện áp Emitter của phototransistor để xác định công suất t−ơng đ−ơng của ánh sáng nhận đ−ợc từ sợi quang ch−a đ−ợc đánh bóng Unpolished = mV Đo công suất t−ơng đ−ơng qua sợi quang nhựa 1m có connector: 7. Thay thế sợi quang nhựa ch−a đánh bóng bằng sợi quang nhựa 1m có connector. 62
8. Đo điện áp Emitter của phototransistor để xác định công suất t−ơng đ−ơng của ánh sáng nhận đ−ợc từ sợi quang có connector : Terminated = mV 9. Sợi quang nào đ−a ánh sáng đến phototransistor nhiều hơn? a. Unpolished (Không đánh bóng) b. Terminated (Có connector) 10. Xác định tỉ lệ công suất ánh sáng đ−a ra bởi hai sợi quang đó PR= 10 lg(Terminated/ Unpolished) = dB L−ỡi cắt th−ờng để lại những khiếm khuyết trên bề mặt của đầu sợi quang, vì thế th−ờng gây ra tán xạ ánh sáng khi nó đi từ ngoài không khí vào sợi quang. Một phần ánh sáng bị tán xạ ra ngoài vỏ và không thể đến đ−ợc phototransistor. Đánh bóng đầu sợi quang và so sánh chất l−ợng truyền ánh sáng: Đánh bóng một đầu: 11. Tìm trong bộ dụng cụ lấy ra tấm bảng nhựa dùng để đánh bóng sợi quang và một đĩa giữ sợi. 12. Đặt tấm bảng trên một mặt phẳng và nhỏ vài giọt n−ớc lên trên tấm bảng đó. N−ớc giúp cho giấy ráp dính chặt với tấm bảng. 63
13. Đặt một lớp giấy ráp 500/600 lên trên tấm bảng (mặt ráp h−ớng lên trên). Thêm một vài giọt n−ớc lên trên mặt giấy ráp. N−ớc giúp cho việc loại bỏ các bụi bẩn khỏi đầu sợi quang, phòng ngừa sự bám dính của bụi bẩn. 14. Đ−a một đầu của sợi quang vừa cắt qua lỗ của đĩa giữ sợi. Đĩa này đ−a và giữ cho sợi quang luôn đ−ợc vuông góc với mặt giấy ráp. Sợi quang dịch chuyển một cách tự do qua lỗ đĩa cho phép phần đầu của sợi quang luôn tiếp xúc với giấy ráp khi mài. 15. Đặt đĩa (có sợi quang xuyên qua) lên mặt giấy ráp và dùng lực ấn nhẹ sợi quang xuống giấy ráp. 16. Mài đầu sợi quang bằng cách dịch chuyển đĩa trên mặt giấy ráp theo hình số 8 lặp 100 lần. Chú ý: Điều quan trọng là lực tỳ lên sợi quang phải hợp lý. Đĩa chỉ có tác dụng dẫn sợi quang dịch chuyển trên mặt giấy ráp theo hình số 8 và giữ cho sợi quang luôn vuông góc với mặt phẳng mài. 17. Hãy kiểm tra chắc chắn rằng hiện sợi quang không đ−ợc nối với bất kỳ một nguồn quang nào. Cả hai loại ánh sáng nhìn thấy và không nhìn thấy đều có thể truyền năng l−ợng đủ để gây nguy hiểm cho mắt bạn, vì thế, nếu muốn kiểm tra đầu sợi quang bằng mắt thì tr−ớc tiên bạn luôn cần kiểm tra chắc chắn rằng sợi quang đã đ−ợc ngắt khỏi nguồn quang. Hãy kiểm tra đầu sợi quang vừa đ−ợc mài và so sánh với hình mẫu: 64
18. Đánh giá chất l−ợng đầu sợi quang đã mài. a. Tốt b. Có lỗi 19. Đặt đầu sợi quang đã mài lên trên led RED (đỏ 635 nm) của khối LIGHT EMITTING DIODES đầu còn lại nối với phototransistor. 20. Đo điện áp Emitter của phototransistor để xác định công suất t−ơng đ−ơng của ánh sáng nhận đ−ợc từ sợi quang vừa đ−ợc đánh bóng: Unterminated 600 = mV Đánh bóng nốt đầu còn lại của sợi quang: Đầu thứ hai của sợi quang vẫn ch−a đ−ợc mài và nó cũng làm tán xạ một phần ánh sáng tr−ớc khi đến phototransistor. 21. Mài tiếp đầu thứ hai của sợi quang, suy hao tiếp tục giảm? a. Đúng b. Sai 22. Tháo sợi quang ra khỏi nguồn quang. 23. Đ−a đầu ch−a đ−ợc mài của sợi quang qua lỗ của đĩa mài và đặt đĩa lên tấm bảng đã có giấy ráp 500/600. 65
24. Cũng mài đầu này bằng cách di chuyển đĩa mài trên mặt giấy ráp khoảng 100 lần theo hình số 8. Chú ý: Điều quan trọng là lực tỳ lên sợi quang phải hợp lý. Đĩa chỉ có tác dụng dẫn sợi quang dịch chuyển trên mặt giấy ráp theo hình số 8 và giữ cho sợi quang luôn vuông góc với mặt phẳng mài. Mài xong hãy kiểm tra chắc chắn sợi hiện không đ−ợc nối với bất kỳ một nguồn quang nào thì tiến hành kiểm tra bằng mắt chất l−ợng đầu sợi quang vừa mài đối chiếu theo mẫu. 25. Đánh giá chất l−ợng đầu sợi quang đã mài. a. Tốt b. Có lỗi 26. Dùng sợi quang đã mài để nối led RED (đỏ 635 nm) của khối LIGHT EMITTING DIODES với phototransistor . 66
27. Đo điện áp Emitter của phototransistor để xác định công suất t−ơng đ−ơng của ánh sáng nhận đ−ợc từ sợi quang vừa đ−ợc đánh bóng: Unterminated 600 = mV Đánh bóng đầu sợi quang bằng lapping film: 28. Bỏ giấy ráp 600 ra khỏi tấm bảng. Thêm một vài giọt n−ớc lên tấm bảng. 29. Đặt một lớp film mài 3àm lên trên tấm bảng, mặt đánh bóng h−ớng lên trên. Thêm lên trên lớp film vài giọt n−ớc. 30. Mỗi đầu sợi quang mài khoảng 40 lần theo hình số 8 trên lớp film. Dùng lực tỳ nhẹ lên sợi quang trong khi giữ cho đĩa luôn phẳng trên film. Đầu sợi quang sẽ bị trầy x−ớc nếu bạn không giữ đĩa mài trên lớp film. Hãy chắc chắn rằng bạn đã mài cả hai đầu sợi quang trên lớp film ít nhất là 40 lần mỗi đầu. Dùng vải mịn hoặc lụa để loại bỏ các cặn bẩn trên các đầu sợi quang khi mài. 31. Dùng sợi quang đã mài để nối led RED (đỏ 635 nm) của khối LIGHT EMITTING DIODES với phototransistor . 67
32. Đo điện áp Emitter của phototransistor để xác định công suất t−ơng đ−ơng của ánh sáng nhận đ−ợc từ sợi quang vừa đ−ợc đánh bóng: Unterminated 3àm = mV So sánh sợi quang mà bạn vừa mài với đoạn cáp th−ơng phẩm cùng loại (Loại cáp nhựa 1m có connector) 33. Xác định tỉ lệ công suất ánh sáng đ−a ra bởi hai sợi quang đó PR= 10 lg(Terminated/ Unterminated 3àm) = dB Suy hao connector 34. Sử dụng một ống ghép để nối hai sợi quang (Sợi quang nhựa 1m có connector và đoạn sợi quang nhựa không có connector). Khi đo bạn cần sử dụng một lực nhẹ, đều để ép giữ sợi quang không có connector trong ống ghép cho nó tiếp xúc với connector kia. Các yếu tố cơ khí có thể ảnh h−ởng đến suy hao tại điểm đấu nối sợi quang là: - Suy hao do lệch trục ghép giữa hai đầu của hai sợi quang. Khi đó một số tia sáng đi ra từ cuối sợi quang thứ nhất sẽ không đi vào phần lõi của sợi quang thứ hai. - Suy hao do lệch góc ghép (ghép vênh trục) làm cho tia sáng bị thay đổi góc tới khi đi vào sợi quang thứ hai dẫn đến khúc xạ ra vỏ. - Suy hao do không tiếp xúc, nghĩa là tạo thành khe hở giữa đầu cuối sợi quang thứ nhất và sợi quang thứ hai không tiếp xúc nhau, ánh sáng sẽ phải đi qua hai thay đổi chiết xuất gây nên các tia phản xạ tại đó. 68
35. Nối cáp nhựa 1m có connector với led đỏ (RED). 36. Nối sợi quang nhựa không có connector với phototransistor. 37. Dùng ống ghép để nối hai sợi quang với nhau. Giữ sợi quang không có connector trong ống ghép trong khi điều chỉnh từ từ vị trí và góc tiếp xúc giữa hai sợi quang trong ống ghép để khắc phục những yếu tố cơ khí. 38. Quan sát trên đồng hồ DVM. Công suất t−ơng đ−ơng chỉ ra trên đồng hồ có thay đổi theo sự điều chỉnh của các sợi quang ? a. Có b. Không 39. Tăng giảm độ hở giữa 2 sợi quang bằng cách dịch chuyển các đầu sợi quang trong ống ghép. 40. Công suất t−ơng đ−ơng chỉ ra trên đồng hồ tăng khi tăng khoảng cách giữa các đầu của các sợi quang ? a. Đúng b. Sai Sử dụng 2 connector để giảm suy hao bằng việc tối thiểu sự vênh trục ghép và khoảng cách giữa các đầu sợi quang. Một lỗi chung connector còn lại đ−ợc gọi là piston (thò thụt). Nếu chất keo dính hoặc các nếp gấp giữ sợi trong ống giữ sợi của connector bị lối sẽ làm cho sợi quang dịch chuyển trong lòng ống giữ sợi, nghĩa là gây ra sự thò thụt của sợi quang. 69
Điều gì xảy ra khi đầu sợi quang dịch chuyển thò ra ngoài ống giữ sợi ? a. Suy hao giảm b. Suy hao tăng Các đầu của ống giữ sợi không thể chế tạo phẳng và vuông góc một cách lý t−ởng, và vì thế khi ghép hai connector với nhau không thể tránh khỏi khe hở giữa hai đầu của các ống giữ sợi. Không khí sẽ tràn vào lấp đầy khe hở đó. Khi ánh sáng đi từ sợi quang thứ nhất sang sợi quang thứ hai phải đi qua vùng đệm không khí đó và xảy ra hai thay đổi chiết xuất. Phản xạ Fresnel xảy ra mỗi khi ánh sáng đi từ môi tr−ờng chiết xuất này sang môi tr−ờng chiết xuất khác. Sự khác nhau giữa các chiết xuất xác định l−ợng ánh sáng bị phản xạ. Nó có thể đ−ợc xác định bằng cách tính l−ợng phản xạ tại tiếp giáp không khí-lõi: 2 ⎛η2 −η1 ⎞ r = ⎜ ⎟ ⎝η2 +η1 ⎠ Trong đó η1=1 là chiết xuất không khí, η2 là chiết xuất lõi (đối với sợi quang nhựa η2 =1.492) 41. Tính l−ợng phản xạ theo biểu thức trên: r = Tỷ lệ tổng công suất ánh sáng với công suất phần đi khỏi sợi đ−ợc biểu diễn bởi (1-r) LOSSF = - 10 lg(1-r) dB Suy hao đ−ợc tính sử dụng tỉ lệ (1-r) : -10 lg(1-0.039) = 0.173 dB ánh sáng phải đi qua hai thay đổi chiết xuất nên tổn hao tổng sẽ là 2 x 0.173 = 0.346 dB 70
Các lõi đ−ợc đồng chỉnh tại các đầu sợi quang có thể tối thiểu tổn hao ghép nối sao cho nó có thể là một đại l−ợng xác định. 42. Điều chỉnh các sợi quang trong ống ghép để đạt đ−ợc công suất t−ơng đ−ơng đọc đ−ợc trên đồng hồ là cao nhất và ghi kết quả đo : Coupled = mV 43. Tính chênh lệch tổn hao giữa việc truyền bằng một sợi quang có connector và truyền bằng tổ hợp hai sợi quang nối tiếp nhau : LOSS = 10 lg(P1/P2) = 10 lg(Terminated/Coupled) = dB 44. Suy hao do sợi tại b−ớc sóng 635 nm là bao nhiêu? Fiber = dB/m (theo dữ liệu cho bởi nhà sản xuất đối với sợi quang nhựa suy hao sợi tại b−ớc sóng 635 nm là 300 dB/km) 71
45. Tính suy hao do phần sợi thêm vào bằng độ dài phần không có connector tính theo m nhân với độ suy hao theo mét đã tra đ−ợc ở mục trên add = 0.3 x (số met) = dB trừ bỏ nó trong tổn hao tính đ−ợc trên mục 43 LOSS = LOSS – add = dB 46. Để loại bỏ sự khác nhau giữa sợi có connector và sợi không có connector thì kết quả nhận đ−ợc ở mục 45 sẽ đem trừ tiếp tỉ lệ công suất PR tính đ−ợc trong mục 33 LOSS = LOSS – PR = dB Trừ tiếp phần tổn hao do phản xạ Fresnel đã đ−ợc xác định trong mục 41 là 0.346 dB LOSS = LOSS – 0.346 = dB Phần còn lại là suy hao do các yếu tố cơ khí khác của mối ghép và các sai số phép đo. Có thể làm giảm phản xạ Fresnel bằng cách hạn chế khe hở không khí giữa các đầu của hai sợi quang trong mối ghép. Đầu cuối hình cong của ống giữ sợi đ−ợc dùng để đảm bảo rằng các đầu của các sợi quang có thể tạo nên tiếp xúc vật lý. Đầu tiếp xúc vật lý của 72
các ống giữ sợi đ−ợc đánh bóng bằng lớp đệm mài xốp. Miếng đệm này tạo ra trên mặt cong của ống giữ sợi một vòng đ−ợc mài bóng đồng nhất tại đầu sợi quang. Góc tới phụ thuộc vào chỗ cong của cuối sợi quang nơi mà tia sáng đập vào Tia phản xạ Fresnel tạo bởi điểm ánh sáng đập vào sẽ đi lệch khỏi tâm lõi và h−ớng ra vỏ và bị truyền ng−ợc lại Đánh bóng tiếp giáp vật lý đ−ợc áp dụng phổ biến bởi vì trong một số hệ thống quang không chấp nhận sự truyền ng−ợc lại của ánh sáng qua sợi quang. Kiểu đánh bóng Công suất truyền ng−ợc Tỉ lệ Phẳng < - 12 dB 0.8% PC (Tiếp xúc vật lý) < - 30 dB 0.1% Super PC < - 40 dB 0.01% Ultra PC < - 50 dB 0.001% Đánh bóng tiếp giáp vật lý đ−ợc đánh giá bởi tỉ lệ giữa công suất truyền và công suất phản xạ trở lại đầu phát qua sợi quang. 47. Một nguồn quang phát ánh sáng 1mW qua một sợi quang đến một đầu cuối Super PC. Công suất phản xạ trở lại đầu phát qua sợi quang là bao nhiêu ? PReflection = nW 73
Kết luận: - ống giữ sợi làm giảm suy hao nhờ sự đồng chỉnh các đầu sợi quang. - Hiện t−ợng Piston xảy ra khi sợi quang bị tr−ợt trong lòng ống giữ sợi và nó làm khoảng cách giữa các đầu sợi, do đó làm tăng suy hao. - ống ghép có thể đ−ợc sử dụng để đồng chỉnh hai connector, cho phép ánh sáng đi từ sợi quang này sang sợi quang khác. - Đánh bóng đầu cuối sợi làm giảm suy hao. - Đầu cuối tiếp giáp vật lý cho phép giảm phản xạ Fresnel. - Các phép đo công suất quang có thể đ−ợc dùng để xác định suy hao của một ghép nối quang. 74
Các câu hỏi trắc nghiệm: 1. Kiểu đánh bóng nào tạo phản xạ Fresnel lớn nhất. a. Đánh bóng phẳng (Flat Polish) b. Đánh bóng tiếp giáp vật lý (PC- Physical contact Polish) c. Đánh bóng siêu tiếp giáp vật lý (Super PC- SuperPhysical contact Polish) d. Đánh bóng siêu siêu tiếp giáp vật lý (Ultra PC- Ultra Physical contact Polish) 2. Làm thế nào để giảm suy hao của một ghép nối quang? a. Tăng độ lệch (Lateral Displacement) b. Tăng khoảng cách các đầu sợi (End Separation) c. Giảm góc vênh ghép (Angular misalignment) d. Tất cả các cách trên 3. Piston làm tăng suy hao bởi ? a. Tăng góc vênh ghép (Angular misalignment) b. Tăng khoảng cách các đầu sợi (End Separation) c. Tăng độ lệch (Lateral Displacement) d. Làm cho các đầu sợi có tiếp giáp vật lý. 4. Hai sợi quang có chiều dài nh− nhau, khác nhau chỉ một mối ghép quang. Sợi quang có 2 connector có suy hao 5 dB. Sợi quang có 4 connector có suy hao 6.5 dB. Suy hao thêm vào do có thêm mối ghép là bao nhiêu? a. 2.5 dB b. 1.5 dB c. 0.75 dB d. 0.375 dB 5. Các biện pháp nào sau đây sẽ làm giảm suy hao cáp sợi quang một cách tổng thể? a. Dùng ống giữ sợi để đồng chỉnh các đầu sợi quang. b. Đánh bóng các đầu sợi quang. c. sử dụng số connector ít nhất. d. Tất cả các biện pháp trên. 75
Bài tập 2.3 Khẩu độ số (Numerical Aperture) và Vùng lõi (Core Area) Mục đích: - Giải thích ảnh h−ởng khẩu độ số NA và vùng lõi CA đến suy hao. - Tính suy hao do không t−ơng thích khẩu độ số và không t−ơng thích tiết diện vùng lõi, kiểm nghiệm kết quả bằng thực nghiệm. Thuyết minh: - Luật Snell mô tả ánh sáng sẽ định h−ớng ra sao khi truyền qua tiếp giáp giữa hai vật liệu có chiết xuất khác nhau. η1sinθ1 = η2sinθ2 - Luật Snell cũng tiên liệu rằng ánh sáng sẽ khúc xạ hoặc phản xạ toàn phần 18 Phản xạ toàn phần xảy ra khi góc tới θ1 lớn hơn góc tới hạn. o - Góc tới hạn θc đ−ợc xác định khi đặt góc phản xạ θ2= 90 ⎛η2 o ⎞ ⎛η2 ⎞ θc = arcsin⎜ sin 90 ⎟ = arcsin⎜ ⎟ ⎝ η1 ⎠ ⎝ η1 ⎠ 76
- Góc tới hạn θc là giá trị lớn nhất của góc tới mà ánh sáng còn bị khúc xạ bởi sự giảm chiết xuất. - Tia sáng với góc tới θ1 lớn hơn góc tới hạn θc sẽ bị phản xạ toàn phần. 1. Đối với sợi quang chất dẻo góc tới hạn θc là bao nhiêu? a. 90o b. 71.8o c. 18.2o d. Không phải các đáp án trên Để góc tới tại tiếp giáp lõi-vỏ là 72o, đáp ứng điều kiện phản xạ toàn phần, thì ban đầu tại ranh giới không khí và lõi, tia sáng đi vào lõi phải thỏa mãn điều kiện sao cho tia khúc xạ sau khi vào lõi phải tạo với trục một góc 180 nh− trên hình vẽ 18 ⎛ 1.492 o o ⎞ o o θa = arcsin⎜ sin(90 − 72 )⎟ = arcsin(1.492sin18 ) = 27.5 ⎝ 1 ⎠ - ánh sáng đi vào sợi quang với góc tới nhỏ hơn hoặc bằng θa là nằm trong góc tiếp nhận của sợi quang. - Các tia sáng đập vào vỏ với góc tới lớn hơn 71.8o (góc tới hạn) sẽ phản xạ trở lại lõi và truyền tiếp trong lõi. - Các tia sáng nằm ngoài góc tiếp nhận sau khi đi vào lõi sẽ khúc xạ đến vỏ với một góc nhỏ hơn góc tới hạn và tiếp tục bị khúc xạ ra vỏ gây ra sự suy hao công suất. 77
- Hình nón tiếp nhận là biểu diễn ba chiều của vùng chấp nhận ánh sáng. Góc mở của nó bằng 2 lần góc tiếp nhận. - Một diễn tả th−ờng dùng đối với góc tiếp nhận của sợi quang là khẩu độ số NA – Numerical Aperture NA = sin (θa) L−u ý: Góc tiếp nhận θa bằng nửa hình nón tiếp nhận. 2. Khẩu độ số của sợi quang chất dẻo là bao nhiêu? a. 0.82 b. 0.46 c. 0.31 d. 0.24 - Khi ánh sáng phản xạ khỏi lớp vỏ, góc phản xạ bằng góc tới. - Tia sáng bị khúc xạ khi nó đi ra khỏi sợi quang tạo thành góc ra bằng với góc tiếp nhận của sợi quang. - Khẩu độ số lối ra của sợi quang chính bằng khẩu độ số lối vào NA của nó. Các thao tác thực hành. 1. Tìm một tờ giấy trắng kích th−ớc khoảng 8.5x11 inch (21x28 cm). Đảm bảo rằng ít nhất có một cạnh của tờ giấy đ−ợc xén phẳng. 2. Giữa tờ giấy, dựng một đ−ờng vuông góc dài khoảng 6 inch (16 cm) với cạnh phẳng. Đ−ờng vuông góc này phải chạm đến cạnh phẳng. 78
3. Tạo một phông 1 inch (2.5 cm) từ cạnh phẳng và song song với cạnh phẳng đó 4. Gấp dựng phông đó sao cho nó vuông góc với phần còn lại của tờ giấy. 5. Cắm một đầu sợi quang nhựa 1m có connector vào led đỏ RED (635 nm). Từ đầu kia của sợi quang bạn sẽ thấy một chấm sáng đỏ trên tờ giấy. Sẽ dễ nhận thấy ánh sáng đỏ đó nếu bạn che tờ giấy khỏi ánh sáng xung quanh hoặc làm phòng tối. 6. Đặt đầu còn lại của sợi quang lên trên cạnh đứng của tờ giấy tại điểm giao nhau với đ−ờng vuông góc. 7. Điều chỉnh góc của connector sao cho hình bán nguyệt của ánh sáng đỏ tạo ra từ đầu sợi quang tập trung trên đ−ờng vuông góc. 8. Giữ cho ánh sáng tập trung trên đ−ờng vuông góc và đánh dấu nơi mà cạnh ánh sáng đỏ gặp phông giấy. Bạn cần đánh dấu hai điểm ở hai phía của đ−ờng vuông góc 9. Ruỗi phẳng tờ giấy và tìm các điểm đánh dấu. 10. Kẻ hai đ−ờng thẳng nối điểm mà đ−ờng vuông góc cắt cạnh tờ giấy với từng điểm đã đánh dấu. Kéo dài mỗi đ−ờng khoảng 15 cm từ điểm giao nhau tại cạnh tờ giấy. 79
11. Dùng th−ớc đo độ để xác định hình nón ra θex bằng cách đo góc tạo bởi 2 đ−ờng ra. θex = Khi ánh sáng dịch chuyển qua các đầu cuối giữa hai sợi quang thì cần phải xem xét tới các khẩu độ số của chúng. Nếu ánh sáng từ một sợi quang có NA cao hơn vào sợi quang có NA thấp hơn sẽ sinh ra tổn thất do lệch khẩu độ số. Nếu khẩu độ số của sợi quang thứ nhất là NA1 = 0.46 thì nón ra của nó khoảng 55o . Nó đ−ợc xác định nh− sau: Exit cone = 2.arcsin(NA1) Nếu khẩu độ số của sợi quang thứ hai là NA2 = 0.28 thì nó chỉ có thể tiếp nhận các tia sáng trong phạm vi nón vào khoảng 32o . Nó đ−ợc xác định nh− sau: Cone acc. = 2.arcsin(NA2) 80
Các tia sáng ở bên ngoài nón nhận của sợi quang thứ hai sẽ bị tổn hao. - ánh sáng bị tổn hao bởi việc ghép nối các sợi quang không t−ơng thích về khẩu độ số. Tổn hao sinh ra khi ánh sáng đi từ sợi quang có khẩu độ số (NA) cao hơn sang sợi quang có khẩu độ số thấp hơn. - Tổn hao không sinh ra khi ánh sáng đi từ sợi quang có khẩu độ số (NA) thấp hơn sang sợi quang có khẩu độ số cao hơn. Công thức xác định tổn hao do lệch khẩu độ số : NA1 LOSSNA = 20lg( ) dB điều kiện : NA1> NA2 NA2 12. Đặt cầu nối RANGE của khối PHOTO TRANSISTOR về vị trí HI và nối một đồng hồ DVM giữa Emitter của phototransistor với GND. 13. Dùng sợi quang nhựa 1m có connector để nối led đỏ RED với phototransistor. 81
14. Đo điện áp Emitter của phototransistor để xác định công suất t−ơng đ−ơng của ánh sáng nhận đ−ợc từ đầu ra sợi quang nhựa: PLASTIC = mV 15. Dùng một ống ghép để nối thêm một cáp sợi quang thủy tinh 1m “62.5/125” giữa sợi quang nhựa với phototransistor. 16. Đặt cầu nối RANGE về vị trí LO. Mức LO làm cho phototransistor có độ nhạy tăng 100 lần. 17. Ghép nối từ sợi quang nhựa với NA1=0.46 sang sợi quang thủy tinh với NA2=0.28 có phải là một ghép nối sai khẩu độ số? a. Có b. Không 18. Tính suy hao −ớc tính LOSSNA gây ra bởi ghép nối sai khẩu độ số giữa sợi quang nhựa với sợi quang thủy tinh. NA1 LOSSNA = 20lg( ) = 4.3 dB NA2 19. Đo điện áp Emitter của phototransistor để xác định công suất t−ơng đ−ơng của ánh sáng nhận đ−ợc từ tổ hợp sợi ghép nhựa-thủy tinh. PLASTIC-GLASS = mV 20. Tính suy hao công suất ánh sáng giữa truyền bằng một sợi quang nhựa và truyền trên hai sợi quang nhựa-thủy tinh nối tiếp: 82
⎛ 100.PLASTIC ⎞ LOSS = 10lg⎜ ⎟ = dB ⎝ PLASTIC − GLASS ⎠ Tử số có thêm thừa số 100 để bù chênh lệch độ nhạy do sự khác nhau giữa hai vị trí của cầu nối RANGE khi tiến hành các phép đo. 21. Từ suy hao nhận đ−ợc theo kết quả trên trừ bỏ suy hao do ghép sai khẩu độ số LOSS’ = LOSS - LOSSNA= dB ♦ Khi ánh sáng đi từ sợi quang có đ−ờng kính lõi lớn sang sợi quang có đ−ờng kính lõi nhỏ hơn gây ra suy hao vùng lõi. Một phần ánh sáng không thể đi vào vùng lõi của sợi quang có đ−ờng kính nhỏ hơn. ♦ Khi ánh sáng đi từ sợi quang có đ−ờng kính lõi nhỏ sang sợi quang có đ−ờng kính lõi lớn hơn thì toàn bộ ánh sáng đều đ−ợc tiếp nhận và không gây ra suy hao vùng lõi. 22. Suy hao lệch vùng lõi đ−ợc xác định theo tỉ lệ đ−ờng kính lõi : Dia1 LOSSUI = 20lg( ) = 4.3 dB điều kiện : Dia1> Dia2 Dia2 83
Ví dụ ghép sợi quang nhựa sang sợi quang thủy tinh : PLASTIC GLASS Dia1=980àm Dia2=62.5àm NA1=0.46 NA2=0.28 thì suy hao do lệch vùng lõi sẽ là: 980 LOSS = 20lg( ) = 23.9 dB UI 62.5 23. Tiếp tục loại trừ suy hao lệch vùng lõi từ kết quả nhận đ−ợc ở mục 21 : LOSS” = LOSS’- LOSSUI = dB 24. Phần còn lại (LOSS”) là suy hao thuộc về: a. Phản xạ Fresnel b. Các lỗi đo l−ờng. c. Đồng chỉnh sợi d. Tất cả các lý do trên 25. Dùng sợi quang thủy tinh 1m có connector để nối led đỏ RED với phototransistor. 26. Đo điện áp Emitter của phototransistor để xác định công suất t−ơng đ−ơng của ánh sáng nhận đ−ợc từ đầu ra sợi quang thủy tinh : GLASS = mV 27. Ghép nối theo thứ tự Nguồn quang-Sợi quang thủy tinh-Sợi quang nhựa- Bộ tách quang. nhựa thủy tinh 84
28. Đo điện áp Emitter của phototransistor để xác định công suất t−ơng đ−ơng của ánh sáng nhận đ−ợc từ trên phototransistor. GLASS-PLASTIC = mV 29. Tính suy hao công suất ánh sáng giữa truyền bằng một sợi quang thuỷ tinh và truyền trên hai sợi quang thủy tinh-nhựa nối tiếp: ⎛ GLASS ⎞ LOSS = 10lg⎜ ⎟ = dB ⎝ GLASS − PLASTIC ⎠ GLASS PLASTIC Dia1=62.5àm Dia2=980àm NA2=0.28 NA1=0.46 30. Suy hao trên đây là do có các tổn hao : a. Lệch khẩu độ số LOSSNA b. Lệch vùng lõi LOSSUI c. Kết nối sợi d. Cả lệch khẩu độ số LOSSNA và lệch vùng lõi LOSSUI 85
Kết luận: ♦ Góc nhận θA đ−ợc xác định bởi góc tới hạn của sợi quang tại tiếp giáp lõi-vỏ và sự khúc xạ tại giáp ranh không khí-lõi ♦ Khẩu độ số đ−ợc tính bằng sine của góc nhận (hoặc nửa nón nhận) NA= sin(θA) ♦ Tổn hao do lệch khẩu độ số đ−ợc tính theo công thức: NA1 LOSSNA = 20lg( ) dB điều kiện : NA1> NA2 NA2 ♦ Tổn thất vùng lõi của sợi xảy ra khi ánh sáng đi từ sợi quang có vùng lõi lớn sang sợi quang có vùng lõi nhỏ hơn. ♦ Tổn thất do lệch vùng lõi đ−ợc tính theo công thức sau: Dia1 LOSSUI = 20lg( ) = 4.3 dB điều kiện : Dia1> Dia2 Dia2 86
Câu hỏi kiểm tra trắc nghiệm: 1. Góc nhận của sợi quang là bao nhiêu nếu khẩu độ số NA= 0.4 a. 47.20 b. 400 c. 23.60 d. 0.0140 2. Tổn thất vùng lõi là bao nhiêu nếu ánh sáng từ nguồn quang qua sợi quang có Dia = 50àm sang sợi quang có Dia = 62.5àm rồi đến bộ tách quang. a. 15 dB b. 5.5 dB c. 0 dB d. –1.9 dB 3. Tổn thất do lệch khẩu độ số là bao nhiêu nếu ánh sáng từ nguồn quang qua sợi quang có NA = 0.46 sang sợi quang có NA= 0.13 rồi đến bộ tách quang. a. 0 dB b. 5.5 dB c. 11 dB d. –5.5 dB 4. Để tránh tổn hao do ghép lệch khẩu độ số trong hệ thống sợi quang thì ánh sáng phải truyền vào sợi với: a. Khẩu độ số thấp hơn hoặc bằng khẩu độ số của sợi quang tr−ớc nó b. Khẩu độ số cao hơn hoặc bằng khẩu độ số của sợi quang tr−ớc nó c. Vùng lõi lớn hơn bằng vùng lõi của sợi quang tr−ớc nó d. Tất cả các điều trên. 5. Những yếu tố nào quyết định góc nhận của một sợi quang? a. Chiết xuất vỏ b. Chiết xuất lõi c. Góc tới hạn của sợi d. Tất cả các yếu tố trên. 87
Bài tập 2.4: Tổn thất do uốn cong và tán sắc Mode Mục đích: Làm rõ một số vấn đề - Vì sao uốn cong sợi quang lại làm tăng suy hao. - Sự truyền các Mode ảnh h−ởng đến tán sắc nh− thế nào - Tại sao tán sắc giới hạn băng thông của sợi quang. Bạn sẽ tính toán băng thông đối với một độ dài sợi và kiểm nghiệm tổn hao do uốn cong bằng các phép đo công suất t−ơng đ−ơng. Thuyết minh: NA= 0.46 Dia= 980àm l=635nm - Một sợi quang nhựa th−ờng có nhiều Mode truyền ánh sáng. Đối với một sợi quang đa mode thì số mode có thể đ−ợc xác định theo công thức: 2 ⎛ 2π (Dia)(NA)⎞ ⎜ ⎟ l Modes = ⎝ ⎠ 2 theo công thức này một sợi quang nhựa có các tham số nh− đã cho có thể có số mode là : [(2π*980*10-6*0.46)/635.10-9]2/2 ≈ 10 000 000 - Đ−ờng ngắn nhất là đ−ờng qua tâm lõi của sợi quang. Các đ−ờng khác dài hơn và sẽ về đích sau. - Tỷ lệ giữa đ−ờng ngắn nhất và đ−ờng dài nhất bằng sine của góc tới hạn. nghĩa là nếu một sợi quang nhựa có góc tới hạn khoảng 72o thì tỷ lệ giữa đ−ờng ngắn nhất và đ−ờng dài nhất sẽ là : 88
M s o = sinθ c = sin 72 =0.95 M l 1. Sự khác nhau giữa độ dài của các đ−ờng của mode dài nhất và mode ngắn nhất là bao nhiêu? a. 95% b. 9.5% c. 5% - Tốc độ ánh sáng trong chân không (c) là hằng số và bằng 300 000 km/s. Lõi có chiết xuất η là tỷ số giữa c và vận tốc v là vận tốc của ánh sáng truyền trong lõi sợi quang có chiết xuất η η = c/v Nếu η=1.492 thì v= 300 000/1.492= 200 000 km/s 2. ánh sáng có b−ớc sóng 635 nm truyền qua lõi sợi quang có chiết xuất η=1.492 với độ dài 1 km thì thời gian truyền là bao nhiêu đối với mode ngắn nhất a. 5 ns b. 5às c. 2 ms d. Không đúng Một xung ánh sáng truyền theo đ−ờng ngắn nhất mất 5às để đi qua 1Km cáp này 3. Trong tr−ờng hợp này thời gian truyền đối với mode dài nhất là bao nhiêu a. 5.25às b. 5às c. 4.75às d. Không đúng Sự dàn trải, phân tán năng l−ợng của ánh sáng gây ra bởi sự khác nhau về độ 89
dài của các đ−ờng mode của sợi đ−ợc gọi là sự Tán sắc mode (tán sắc hình thể). Tán sắc Mode gây ra sự di pha, rung pha và từ đó dẫn đến làm hạn chế băng thông của sợi quang và làm bè xung thu đ−ợc trên đầu ra của sợi quang nh− chỉ ra trên hình sau: Đối với sợi đa mode tán sắc đ−ợc đánh giá theo băng thông cực đại của một km sợi. Ví dụ sợi quang nhựa với các tham số đã cho ở phần đầu của bài này có Kilomet băng thông là 5 MHzkm - Sợi quang với khẩu độ số (hoặc góc nhận) nhỏ hơn có góc tới hạn lớn hơn. Tỷ lệ giữa mode ngắn nhất và mode dài nhất bằng sine của góc tới hạn. Vì thế, giảm góc nhận của sợi làm cho độ dài mode ngắn lại (khép lại) và làm giảm tán sắc Mode. - Sợi quang có góc nhận nhỏ cũng cho vài mode truyền. - Số mode có thể làm giảm bằng cách giảm đ−ờng kính lõi 90
Sợi quang thủy tinh đa mode chiết xuất biến đổi liên tục kích th−ớc 62.5/125 có khoảng 1800 mode. 4. Sợi quang loại nào có tán sắc Mode nhỏ hơn? a. Sợi quang nhựa b. Sợi quang thủy tinh - Số mode thấp nhất sẽ gây tán sắc Mode ít nhất. Sợi quang thủy tinh đa mode chiết xuất biến đổi liên tục kích th−ớc 62.5/125 cho Kilomet băng thông là 200 MHzkm. - Kilomet băng thông cao hơn cho phép truyền tốc độ cao hơn, trên khoảng cách lớn hơn. 5. Làm thế nào để sợi quang có Kilomet băng thông cao hơn 200 MHzkm ? a. Sử dụng nhiều hơn 1800 mode b. Sử dụng sợi quang đơn mode c. Tăng khẩu độ số NA - Sợi quang đơn mode th−ờng có đ−ờng kính lõi nhỏ (3-10àm) và khẩu độ số thấp (0.12-0.18) để đảm bảo chỉ có một đ−ờng truyền đơn. - Sợi quang đơn mode là sự lựa chọn tốt nhất cho truyền dẫn tốc độ cao và cự ly xa. - Sợi quang đơn mode yêu cầu một nguồn quang có tính định h−ớng cao (Laser) và các connector đơn mode đặc dụng. 91
Bây giờ chúng ta xem xét đến sự ảnh h−ởng của uốn cong đối với sợi quang đa mode chiết xuất nhảy bậc. Một phần ánh sáng truyền trong các mode gần với góc tới hạn của sợi. Khi các mode này tiếp cận chỗ bị uốn cong thì góc tới của chúng sẽ giảm nhỏ hơn góc tới hạn và chúng bị khúc xạ qua lớp vỏ và bị tổn hao. Các thao tác thực hành: 1. Đặt cầu nối RANGE trên khối PHOTO TRANSISTOR về vị trí HI và nối đồng hồ DVM giữa EMITTER của phototransistor với GND. 2. Chuyển cầu nối 2 vị trí định hình cho FIBER OPTIC TRANSMITTER về chế độ ANALOG và cũng đảm bảo chắc chắn rằng trên khối POWER SUPPLY các cầu nối cũng đã đ−ợc chuyển về vị trí ANALOG. 3. Dùng cáp sợi quang nhựa 1m có connector để nối khối FIBER OPTIC TRANSMITTER với khối PHOTO TRANSISTOR. Đảm bảo rằng tất cả các đoạn vòng cong của cáp có bán kính cong lớn hơn giá trị cho phép (Bán kính cong tối thiểu cho phép là 0.67” hoặc 1.7 cm đối với cáp nhựa – theo số liệu của nhà sản xuất) nh− chỉ ra trên hình d−ới đây. 92
4. Đo điện áp Emitter của phototransistor để xác định công suất t−ơng đ−ơng của ánh sáng nhận đ−ợc từ sợi quang REF = mV Tiến hành thử nghiệm ảnh h−ởng của uốn cong: Để các kết quả của thí nghiệm có ý nghĩa bạn phải làm cho sợi quang bị uốn cong hơn giá trị cực tiểu cho phép bằng cách tạo nên một khung uốn nhỏ. Các uốn cong này chỉ sử dụng trong thử nghiệm và không thể cho phép tồn tại trong lắp đặt thực tế. 5. Dùng các connector một cực, cắm vào các lỗ jack DATA OUT và ANALOG. 6. Sợi quang đ−ợc uốn cong đều giữa các connector một cực trên và đầu nối FOR. Khi sợi quang đ−ợc uốn cong giữa các điểm này sẽ có bán kính cong khoảng 0.8” 7. Bán kính cong 0.8” có v−ợt quá giới hạn bán kính tối thiểu cho phép không? a. Có b. Không 93
8. Đo điện áp Emitter của phototransistor để xác định công suất t−ơng đ−ơng của ánh sáng nhận đ−ợc từ sợi quang đã uốn cong B8 = V 9. Tính suy hao gây ra do bán kính cong 0.8” so với không làm cong (REF) ⎛ REF ⎞ LOSS8 = 10lg⎜ ⎟ = dB ⎝ B8 ⎠ 10. Tạo một bán kính cong 0.6” bằng cách chuyển connector một cực từ jack ANALOG sang jack FOR, sau đo uốn cong sợi quang đều giữa hai connector một cực trên và đầu nối FOR. 11. Bán kính cong 0.6” có v−ợt quá giới hạn bán kính tối thiểu cho phép không? a. Có b. Không 94
12. Đo điện áp Emitter của phototransistor để xác định công suất t−ơng đ−ơng của ánh sáng nhận đ−ợc từ sợi quang đã uốn cong B6 = V 13. Tính suy hao gây ra do bán kính cong 0.6” so với không làm cong (REF) ⎛ REF ⎞ LOSS6 = 10lg⎜ ⎟ = dB ⎝ B6 ⎠ 14. Tạo một bán kính cong 0.4” bằng cách chuyển connector một cực từ jack FOR sang jack DIGITAL, sau đó uốn cong sợi quang đều giữa hai connector một cực trên và đầu nối FOR. 95
15. Đo điện áp Emitter của phototransistor để xác định công suất t−ơng đ−ơng của ánh sáng nhận đ−ợc từ sợi quang đã uốn cong B4 = V 16. Giải phóng nhanh đoạn bị uốn cong và làm thẳng lại sợi quang . Nếu cáp bị uốn cong lâu quá nó sẽ bị biến dạng theo kiểu “nhớ” 17. Tính suy hao gây ra do bán kính cong 0.4” so với không làm cong (REF) ⎛ REF ⎞ LOSS4 = 10lg⎜ ⎟ = dB ⎝ B4 ⎠ 18. Bằng cách nào bạn có thể giảm suy hao của cáp nhựa trong hệ thống cáp sợi quang ? a. Làm cho các đoạn cong có bán kính nhỏ hơn 0.67” b. Làm cho các đoạn cong có đ−ờng kính lớn hơn 0.67” c. Làm cho các đoạn cong có bán kính lớn hơn 0.67” d. Tất cả các điều trên. 96
Các giá trị tham khảo : Bán kính cong Suy hao 0.8” 0.13 dB 0.6” 0.32 dB 0.4” 1.08 dB Bây giờ chúng ta xem xét vấn đề tán sắc của sợi đa mode Đặc tính của sợi thủy tinh đa mode BW = 200 MHzkm Fiber = Glass 62.5/125 NA = 0.28 Modes = 1000 Tán sắc Mode (Modal dispersion) hạn chế Kilomet băng thông của cáp sợi quang đa mode. Nhà sản xuất cáp xác định Kilomet băng thông của loại cáp sợi quang thủy tinh đa mode này là 200 MHzkm. Sợi quang đ−ợc phân loại theo Kilomet băng thông đo bằng MHzkm. Để xác định độ dài cực đại của cáp hãy chia Kilomet băng thông cho độ rộng băng yêu cầu (BW) 200MHzKm Km = BW Để xác định băng thông (BW) khả dụng hãy chia Kilomet băng thông cho độ dài 200MHzKm BW = Km 97
19. Băng thông khả dụng là bao nhiêu đối với cáp sợi quang thủy tinh đa mode 62.5/125 có độ dài 5m ? 200MHzKm BW = = 40000MHz 5.10−3 Km 20. Tính độ dài cáp đối với cáp sợi quang thủy tinh đa mode 62.5/125 có băng thông khả dụng là 10 MHz ? 200MHzKm l = = 20Km 10MHz - Sợi quang đơn mode không có tán sắc Mode nh−ng có tán sắc màu. Mỗi b−ớc sóng (màu) của ánh sáng truyền qua lõi sợi quang ở một tốc độ, khác nhau không nhiều, gây nên tán sắc màu. Tán sắc này của sợi quang đơn mode đ−ợc biểu diễn theo pico giây trên na-no-met của Kilomet băng thông (ps/(nmxKm) Kết luận: ♦ Suy hao do uốn cong tăng khi bán kính cong giảm. ♦ Cáp sợi quang không nên để bị uốn cong hơn bán kính cong tối thiểu. ♦ Tán sắc là sự khác nhau về thời gian truyền của các thành phần khác nhau của tín hiệu quang. ♦ Tán sắc Mode gây ra bởi sự khác nhau về độ dài đ−ờng đi giữa các mode truyền. ♦ Tán sắc của sợi quang đa mode đ−ợc cho bởi tham số Kilomet băng thông của cáp (MHzkm) ♦ Sợi quang đơn mode có tán sắc màu do băng thông của nguồn quang. 98
Các câu hỏi trắc nghiệm: 1. Suy hao do cáp cong có thể đ−ợc làm giảm bằng cách: a. Tăng bán kính cong b. Giảm bán kính cong c. Thêm các đoạn cong khác d. Không phải các điều trên. 2. Một cáp có bán kính cong tối thiểu 2 cm có thể: a. Cuốn cong trên ống lõi có đ−ờng kính 3cm b. Trên đoạn dài 4cm uốn cong thành cung tròn 180o c. Sử dụng với các đoạn cong có bán kính cong lớn hơn 2cm d. Không phải các điều trên 3. Sợi quang nào trong các loại sau có tán sắc Mode nhỏ nhất: a. Sợi quang thủy tinh đơn mode (NA=0.13, Dia=5àm) b. Sợi quang thủy tinh đa mode (NA=0.26, Dia=62.5àm) c. Sợi quang nhựa đa mode (NA=0.46, Dia=980àm) d. Sợi quang nhựa đa mode (NA=0.50, Dia=485àm) 4. Tính độ rộng băng khả dụng với sợi đa mode dài 15 Km, có Kilomet băng thông là 200 MHzkm a. 3000 MHz b. 200 MHz c. 15 MHz d. 13 MHz 5. Khi tăng độ dài cáp thì: a. Tán sắc của cáp giảm b. Tán sắc của cáp tăng c. Băng thông của cáp tăng d. Suy hao của cáp giảm 99
Câu hỏi kiểm tra bài 2 1. Hai sợi quang chỉ khác nhau về chiều dài, đ−ợc dùng để nối giữa cùng một nguồn quang và một bộ tách quang. Cáp dài 1 Km cho ra 20 àW, cáp dài 7 Km cho ra 5 àW. Hỏi tổn hao sợi là bao nhiêu? a. 1dB/Km b. 0.86dB/Km c. 1.7dB/Km d. 2dB/Km 2. Làm thế nào để giảm suy hao trong một hệ thống sợi quang dài 20 Km, dùng loại cáp sợi quang thủy tinh 62.5/125 hoạt động ở b−ớc sóng 940 nm? a. Hoạt động ở tần số cao hơn b. Hoạt động ở b−ớc sóng lớn hơn c. Tăng thêm sợi (dài hơn) d. Làm cong sợi 3. Hai sợi quang có chiều dài nh− nhau, khác nhau chỉ một mối ghép quang. Sợi quang có 2 connector có suy hao 4 dB. Sợi quang có 4 connector có suy hao 6dB. Suy hao thêm vào do có thêm mối ghép là bao nhiêu? a. 0.5 dB b. 1dB c. 1.76 dB d. 2 dB 4. Kết cuối quang nào tạo ra phản xạ Fresnel nhỏ nhất? a. Đánh bóng phẳng c. Không đánh bóng b. Đánh bóng PC (tiếp xúc vật lý) d. Không phải các điều trên. 100
5. Khi ánh sáng truyền từ sợi quang có Dia 62.5 àm sang sợi quang có Dia 980 àm thì suy hao do lệch vùng lõi LOSSUI sẽ là : a. 62.5 dB b. 24dB c. 0 dB d. -24 dB 6. Khi ánh sáng truyền từ sợi quang có khẩu độ số NA=0.46 sang sợi quang có khẩu độ số NA=0.28 thì suy hao do lệch khẩu độ số LOSSNA sẽ là: a. 4.3 dB b. 2.6dB c. 0 dB d. –2.6 dB 7. Sợi quang có NA=0.5 thì góc nhận của nó bằng bao nhiêu? a. 0.009o b. 0.5o c. 30o d. 50o 8. Sợi quang nhựa dài 24 Km, có NA=0.46, Dia=980 àm, tham số Kilomet băng thông là 6 MHzkm tại 650 nm. Tính băng thông khả dụng của nó ? a. 144 MHz b. 6 MHz c. 4 MHz d. 250 KHz 9. Suy hao do cáp cong có thể đ−ợc làm giảm bằng cách: a. Tăng bán kính cong c. Thêm các đoạn cong khác b. Giảm bán kính cong d. Không phải các điều trên. 10. Điều nào sau đây cho phép giảm suy hao của cáp sợi quang một cách tổng thể: a. Sử dụng ống giữ sợi để đồng chỉnh các đầu sợi quang. b. Đánh bóng các đầu sợi quang. c. Sử dụng ít nhất các mối ghép quang. d. Tất cả các điều trên. 101
Bài 3 bộ phát FIBER OPTIC TRANSMITTER - FOT Mục đích: Nhận biết, mô tả và thực hành về các thành phần của bộ phát FOT trong hệ thống thông tin sợi quang. Kiến thức cơ bản: ánh sáng đ−ợc tạo từ các sóng điện từ hoặc đôi khi còn đ−ợc gọi là các photon. Một photon là một cụm năng l−ợng và năng l−ợng này đ−ợc giữ nguyên nếu photon không dịch chuyển. Trong các phần tr−ớc đã giới thiệu về b−ớc sóng và tần số của bức xạ điện từ. Năng l−ợng đỉnh E trong một photon tăng theo tần số f và có thể xác định theo biểu thức: E = h x f = 6.63 x 10-34 x f 1. Photon của ánh sáng đỏ (RED) có b−ớc sóng 650 nm, tần số 461.5 THz chứa khoảng 3.10-19W. Loại ánh sáng nào có năng l−ợng thấp hơn nó? a. IR–Hồng ngoại 319 THz b. Green-Xanh 531THz Công suất quang đ−ợc xác định theo nhiều cách khác nhau: C.I.E Đáp ứng của mắt Chuẩn chức năng tỏa sáng Độ nhìn thấy ban ngày 1000 100 800 80 Đỉnh 555nm Đỉnh 555nm Xanh Xanh 600 đối ơng 60 − 400 40 Lumen/Wat 200 t thụ cảm Độ 20 0 0 200 400 600 800 1000 1200 200 400 600 800 1000 1200 B−ớc sóng nm B−ớc sóng nm 102
- Công suất quang của tất cả các kiểu ánh sáng đ−ợc đặc tr−ng bởi các tham số bức xạ (Radiometric Parameters). - Đối với các ánh sáng nhìn thấy thì các tham số quang (Photometric Parameters) có thể đ−ợc dùng để chỉ độ rõ của ánh sáng theo mức độ của b−ớc sóng mà chúng ta có thể nhìn thấy. Các tham số quang-Photometric quantities có quan hệ t−ơng đ−ơng với các tham số bức xạ Radiometric quantities bằng cách sử dụng hàm t−ơng quan chuẩn phát xạ C.I.E Radiometric C.I.E Standard Photometric quantities Luminosity Function quantities Fillter Chức năng này cần một bộ lọc, nó mô phỏng hành vi của mắt ng−ời bình th−ờng trong ánh sáng ban ngày. Có thể coi chức năng này nh− “mắt chuẩn”. Năm tham số bức xạ là các tham số chung đ−ợc sử dụng đối với công suất từ một nguồn quang : - Năng l−ợng bức xạ Radiant Energy - Công suất bức xạ Radiant Power (Flux) - C−ờng độ bức xạ Radiant Intensity - Độ duy trì bức xạ Radiant Emittance (Exitance) - Bức xạ Radiance (C−ờng độ đ−ợc bức xạ từ một nguồn quang trên một đơn vị bề mặt) Năm tham số quang Photometric parameters đ−ợc dung chung để đánh giá công suất ra từ một nguồn quang ánh sáng nhìn thấy hoặc từ bộ phát : - Năng l−ợng phát sáng Luminous Energy - Công suất phát sáng Luminous Power (Flux) - C−ờng độ phát sáng Luminous Intensity - Độ duy trì phát sáng Luminous Emittance (Exitance) - Phát sáng Luminance (C−ờng độ đ−ợc bức xạ từ một nguồn ánh sáng nhìn thấy trên một đơn vị bề mặt) Các tham số bức xạ và các tham số quang đ−ợc đặc tr−ng bởi các đơn vị đo khác nhau. Một số các đơn vị này, ví dụ Lumen, đ−ợc dùng đối với tham số quang mà không sử dụng đối với các tham số bức xạ. Bằng việc chọn file FIBER 103
OPTIC COMMUNICATIONS HELP tr−ớc khi chọn các tham số bức xạ và tham số quang bạn có thể thấy một số trong các đơn vị đ−ợc dùng chung đối với các tham số bức xạ và các tham số quang. 2. Đơn vị dùng chung nào dùng để đo bức xạ (Radiant Emittance). Hãy thử sử dụng Unit Help a. àW/sr b. mW/cm2 c. cd/cm2 - Trong bài tập thứ nhất (3-1) bạn sẽ làm quen với các đặc tính của các nguồn quang trong bộ phát FIBER OPTIC TRANSMITTER. - Bài tập 3-2 giới thiệu một loạt các mạch điều khiển mà chúng đ−ợc sử dụng chung cả trong các bộ phát quang t−ơng tự và cả trong các bộ phát quang số. - Bài tập 3-3 tìm hiểu về các nguyên nhân gây ra suy hao ánh sáng trong các mối ghép nguồn quang-sợi quang của bộ phát. Cũng nh− trong các bài tr−ớc bạn sẽ dùng khối PHOTO TRANSISTOR, điện áp EMITTER để đo công suất quang t−ơng đ−ơng. 104
Các dụng cụ và thiết bị đo dùng trong bài này gồm: - Tấm đế FACET. - Bảng mạch FIBER OPTIC COMMUNICATIONS. - Đồng hồ vạn năng. - Nguồn nuôi 15Vdc (Nếu cần) - Oscilloscope 2 tia - Máy phát sóng chuẩn sine/xung 105
Bài tập 3-1: Nguồn quang Mục đích: Tìm hiểu về nguồn quang đ−ợc sử dụng trong các hệ thống thông tin sợi quang để chuyển tín hiệu điện thành tín hiệu quang. Tóm l−ợc: - Năng l−ợng điện từ phát ra từ một nguồn quang đi khỏi nguồn với một vận tốc cố định. Quá trình truyền này đ−ợc biết đến nh− một bức xạ. - Nguồn quang trong bộ phát FOT biến đổi năng l−ợng điện thành năng l−ợng điện từ. Bức xạ điện từ có thể d−ới dạng ánh sáng nhìn thấy hoặc không nhìn thấy. - Nguồn quang trong bộ phát FOT có thể là Led hoặc Laser. Led đ−ợc dùng với sợi quang đa mode, Laser và Led laser đ−ợc dùng đối với các sợi quang đơn mode. Laser- Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. ánh sáng Laser rất khác ánh sáng trắng tự nhiên về nhiều mặt. ánh sáng trắng phân kỳ theo khoảng cách. ánh sáng Laser không bị phân rã, nó giữ nguyên hình thể khi truyền đi xa. ánh sáng trắng đa mầu, còn laser thì đơn sắc. ánh sáng Laser là thứ ánh sáng đồng nhất, nhất quán (Coherent). ánh sáng có c−ờng độ mạnh hơn ánh sáng trắng. 106