CƠ SỞ THÔNG TIN QUANG
Lịch sử phát triển
Trong lịch sử phát triển của nhân loại, việc trao đổi thông tin giữa con người đã trở thành một nhu cầu thiết yếu, đóng vai trò quyết định trong việc thúc đẩy sự phát triển và tiến bộ của mỗi quốc gia, cũng như nền văn minh chung của nhân loại.
Với sự phát triển của hệ thống thông tin hữu tuyến và vô tuyến qua cáp đồng và không gian, việc sử dụng ánh sáng như phương tiện truyền tải thông tin đã được khai thác hiệu quả Theo thời gian, công nghệ thông tin quang học đã phát triển và hoàn thiện, đánh dấu những bước tiến quan trọng trong lịch sử của nó.
Năm 1790, kỹ sư người Pháp Claude Chappe đã phát minh ra một hệ thống điện báo độc đáo, bao gồm một chuỗi các tháp với đèn báo hiệu Nhờ vào hệ thống này, tin tức có thể được truyền đi một khoảng cách 200km chỉ trong vòng 15 phút.
Vào năm 1870, nhà vật lý người Anh John Tyndall đã chứng minh rằng ánh sáng có thể được dẫn truyền qua các ống nước uốn cong nhờ nguyên lý phản xạ toàn phần Nguyên lý này vẫn được áp dụng rộng rãi trong công nghệ thông tin quang hiện nay.
Năm 1880, Alexander Graham Bell, nhà phát minh người Mỹ, đã giới thiệu hệ thống thông tin Photophone, cho phép truyền tải giọng nói qua ánh sáng trong không khí Tuy nhiên, công nghệ này chưa được áp dụng rộng rãi do gặp phải nhiều nguồn nhiễu.
- 1934: NORMAN R.FRENCH, người Mỹ, nhận bằng sáng chế hệ thống thông tin quang Sử dụng các thanh thuỷ tinh để truyền dẫn.
- 1958: ARTHUR SCHAWLOUR và CHARLES H TOUNES, xây dựng và phát triển
- 1960: THEODOR H MAIMAN đưa laser vào hoạt động thành công.
- 1962: Laser bán dẫn và Photodiode bán dẫn được thừa nhận vấn đề còn lại là phải tìm môi trường truyền dẫn quang thích hợp.
Năm 1966, hai kỹ sư Charles H Kao và George A Hockham từ phòng thí nghiệm Standard Telecommunications của Anh đã đề xuất sử dụng sợi thủy tinh để dẫn ánh sáng Tuy nhiên, công nghệ chế tạo sợi quang thời điểm đó còn hạn chế, dẫn đến mức suy hao lớn khoảng 1000 dB/km.
- 1970: Hãng Corning Glass Work chế ttoạ thành công sợi quang loại SI có suy hao nhỏ hơn 20 [dB/km] ở bước sóng 1310nm.
- 1972: Loại sợi GI được chế tạo với độ suy hao 4 [dB/km].
- 1983: Sợi đơn mode(SM) được xuất xưởng tại Mỹ.
Ngày nay loại sợi đơn mode được sử dụng rộng rãi với độ suy hao chỉ còn khoảng 0,2[dB/km] ở bước sóng 1550nm.
Cấu trúc một hệ thống thông tin quang đơn giản
Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống thông tin quang đơn giản
Theo sơ đồ hệ thống ta có:
- Nguồn tín hiệu thông tin: là dạng thông tin thông thường là hình ảnh , tiếng nói , fax hay còn là tín hiệu đầu vào.
Phần tử điện là thành phần cốt lõi của hệ thống, có nhiệm vụ xử lý nguồn tin để tạo ra tín hiệu điện, sau đó được đưa vào hệ thống truyền dẫn Tín hiệu này có thể là tín hiệu Analog hoặc Digital.
Bộ biến đổi E/O có chức năng chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang, trong đó các mức tín hiệu điện được chuyển đổi thành cường độ quang tương ứng Các tín hiệu điện '0' và '1' được biến đổi một cách chính xác để đảm bảo hiệu suất truyền tải thông tin.
‘1’được biến đổi ra ánh sáng tương ứng dạng ‘không’ và ‘có’.
Sau đó tín hiệu quang được đưa vào sợi quang truyền đi Bộ biến đổi điện quang thực chất là các linh kiện phát quang như LED,Laser diode
- Sợi quang: Để truyền dẫn ánh sáng của nguồn bức xạ (E/O) đã được điều biến, nó có vai trò như kênh truyền dẫn.
Bộ biến đổi O/E là thiết bị thu quang, nhận ánh sáng từ sợi quang và chuyển đổi lại thành tín hiệu điện, đóng vai trò quan trọng như bộ giải điều chế Trong quá trình truyền dẫn, công suất tín hiệu bị giảm và dạng sóng bị giãn ra do nhiều nguyên nhân, vì vậy cần có trạm lặp để duy trì chất lượng tín hiệu khi truyền đi xa Hiện tại, việc khuếch đại hay tái sinh trực tiếp tín hiệu quang vẫn chưa khả thi, do đó các trạm lặp phải thực hiện ba bước cần thiết để đảm bảo tín hiệu được truyền đi hiệu quả.
+ Chuyển đổi từ tín hiệu quang sang tín hiệu điện
+ Sửa đổi dạng tín hiệu đã bị méo hoặc tái sinh tín hiệu điện.
+ Chuyển đổi tín hiệu điện đã được khuếch đại hoặc tái sinh thành tín hiệu quang để tiếp tục phát đi.
Tải tin trong hệ thống thông tin điện là các sóng điện từ cao tần, trong khi đó, trong hệ thống quang, tải tin được thể hiện qua ánh sáng, cũng là sóng điện từ nhưng có tần số rất cao (từ 10^14 đến 10^15 Hz) Điều này khiến tải tin quang trở thành lựa chọn lý tưởng cho việc truyền tải các tín hiệu băng rộng.
- Năng lực truyền dẫn: năng lực truyền dẫn của hệ thống được đánh giá qua hai đại lượng:
+ Độ rộng băng tần có thể truyền dẫn được
+ Cự ly trạm lặp hoặc độ dài chuyển tiếp
Xu hướng hiện nay của các hệ thống truyền dẫn quang là đạt được băng thông rộng và khoảng cách giữa các trạm lặp lớn Thực tế cho thấy, các hệ thống quang đã vượt trội hơn so với hệ thống điện trong cả hai tiêu chí này Các yếu tố liên quan xác định những đại lượng này rất đa dạng và phức tạp.
+ Công suất bức xạ và khả năng điều biến linh hoạt của sợi quang
+ Độ nhạy của máy thu quang
+ Tiêu hao phụ khi xử lý các phần tử toàn tuyến
Ưu điểm của thông tin quang
So với hệ thống thông tin điện tử thì hệ thống thông tin quang có những ưu điểm hơn hẳn đó là những ưu điểm cơ bản như sau:
1 Suy hao truyền dẫn thấp: dẫn tới giảm được trạm lặp , kéo dài được cự ly truyền dẫn, cho phép truyền dẫn băng rộng, truyền được tốc độ lớn hơn cáp kim loại khi cùng chi phí xây dựng mạng nên
2 Băng tần truyền dẫn lớn , đáp ứng được thuê bao dịch vụ dải rộng
3 Sợi quang: được chế tạo từ những nguyên liệu chính là thạch anh hay nhựa tổng hợp nên nguồn nguyên liệu rất dồi dào rẻ tiền Sợi có đường kính nhỏ, trọng lượng nhỏ, không có xuyên âm rất dễ lắp đặt và uốn cong
4 Dùng cáp sợi quang: rất kinh tế trong cả việc sản xuất cũng như lắp đặt và bảo dưỡng. Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ, không dẫn điện, không gây chập, cháy.
5 Tín hiệu tuyền trong sợi quang: không chịu ảnh hưởng của nhiễu từ trường bên ngoài (như sóng vô tuyến điện, truyền hình, ảnh hưởng của cáp điện cao thế ) dẫn đến tính bảo mật thông tin cao, không bị nghe trộm Nó được sử dụng tại những nơi có nhiễu điện từ mạnh như trong các nhà máy, nàh máy điện…mà không cần phải che chắn điện từ.
6 Một cáp sợi quang: có cùng kích cỡ với cáp kim loại thì có thể chứa được một số lượng lớn lõi sợi quang lớn hơn số lượng kim loại
7 Sợi quang: có tính bảo mật cao, vì vậy việc đánh cắp thông tin trên sợi quang là rất khó khăn.
Tuy nhiên hệ thống thông tin quang có một số hạn chế như:
+ Khó khăn trong việc ghép nối,
+ Không sử dụng được trong vùng bị chiếu xạ
Hệ thống thông tin quang ngày càng được ưa chuộng trong mạng lưới viễn thông toàn cầu nhờ vào những ưu điểm vượt trội Chúng thường được triển khai làm các tuyến đường trục, trung kế và liên tỉnh Tại Việt Nam, cáp quang đang được lắp đặt cho các tuyến truyền dẫn đường dài liên tỉnh thông qua cáp ngầm.
Tốc độ của hệ thống thông tin quang sẽ là yếu tố then chốt, mang lại khả năng truyền dẫn xa và cấu hình linh hoạt cho các dịch vụ viễn thông cao cấp trong mạng lưới viễn thông.
Những ứng dụng của sợi quang
Sự phát triển mạnh mẽ của hệ thống truyền dẫn quang trên sợi quang đã mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với các phương thức thông tin khác, như dung lượng kênh truyền lớn và tính kinh tế Công nghệ này hiện đang đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tín hiệu qua các tuyến đường trục và xuyên lục địa Đặc biệt, công nghệ sợi quang đơn mode với suy hao nhỏ đã đơn giản hóa việc mở rộng chiều dài tuyến thông tin quang, cùng với công nghệ khuếch đại quang giúp tăng cường độ dài và cải thiện chất lượng tín hiệu Tại Việt Nam, thông tin sợi quang ngày càng trở nên quan trọng, với tuyến cáp quang Hà Nội – Hồ Chí Minh đóng vai trò chủ chốt trong hệ thống thông tin toàn quốc.
Trong tương lai, mạng cáp quang sẽ được phát triển mạnh mẽ và mở rộng khắp nơi Các tuyến cáp quang chính sẽ được kết nối đến các tỉnh, huyện, đồng thời xây dựng hệ thống cáp quang nội hạt nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ.
* Vị trí của sợi quang trong mạng thông tin giai đoạn hiện nay:
- Mạng đường trục xuyên quốc gia.
- Mạng riêng của các công ty đường sắt, điện lực.
- Đường cáp thả biển liên quốc gia
- Đường truyền số liệu, mạng LAN
Ưu điểm của thông tin sợi quang
So với dây kim loại sợi quang có nhiều ưu điểm đáng chú ý là:
- Suy hao thấp: cho phép kéo dài khoảng cách tiếp vận do đó giảm được số trạm tiếp vận
- Dải thông rất rộng: có thể thiết lập hệ thống truyền dẫn số tốc độ cao
- Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ
- Hoàn toàn cách điện không chịu ảnh hưởng của sấm sét
- Không bị can nhiễu bởi trường điện từ
- Xuyên âm giữ các sợi dây không đáng kể
- Vật liệu chế tạo có rất nhiều trong thiên nhiên
- Dùng hệ thống thông tin sợi quang kinh tế hơn so với sợi kim loại cùng dung lượng và cự ly.
Lý thuyết chung về sợi dẫn quang
Trong hệ thống thông tin quang, ánh sáng đóng vai trò then chốt trong việc truyền tải thông tin Để hiểu rõ hơn về sự lan truyền ánh sáng trong sợi quang và nguyên lý hoạt động của dao động laser, chúng ta cần nghiên cứu các đặc tính của ánh sáng Ba vấn đề cơ bản sau đây sẽ là nền tảng lý thuyết cho việc phát triển hệ thống thông tin quang hiệu quả.
1 Phổ của sóng điện từ
2 Chiết suất của môi trường
3 Hiện tượng phản xạ toàn phần
2.3.1 Phổ của sóng điện từ
Bức xạ điện từ có bản chất tự nhiên chung, có thể được xem dưới dạng sóng hoặc hạt (photon), với tính chất sóng hoặc hạt nổi bật trong từng vùng cụ thể Một trong những đặc trưng cơ bản của các nguồn bức xạ điện từ là dải phổ bức xạ, phản ánh dải tần số của các dao động điện từ hoặc sóng điện từ được tạo ra, cũng như dải bước sóng tương ứng Tần số và bước sóng có mối quan hệ tỷ lệ thuận theo công thức nhất định.
C(m/s)=λ(m).f(Hz) hoặc E(ev) = h.f Trong đó :
C là vận tốc ánh sáng trong chân không [ C=3.10 8 m/s ]
Hằng số Planck, ký hiệu là h, có giá trị h=6,25 x 10^-34 J/s Ánh sáng được sử dụng trong thông tin quang nằm trong vùng cận hồng ngoại, với bước sóng từ 800nm đến 1600nm Trong đó, ba bước sóng phổ biến nhất là 850nm, 1300nm và 1550nm.
Hình 2.1: Các bước sóng trong thông tin quang
1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1 900 800 700 600 500 400àm §á TÝm ánh sánh trong thông tin quang ánh sáng nhìn thấy đ ợc
Hình 2.2 Tần số và bước sóng dùng trong Thông tin quang
Khi bước sóng giảm, tần số tăng, dẫn đến độ suy hao cũng tăng Tuy nhiên, đặc tuyến suy hao của sợi quang cho thấy ở bước sóng 1550nm, độ suy hao chỉ dưới 0,2dB/km Điều này cho thấy vấn đề suy hao đã được giải quyết, khiến ba bước sóng này, đặc biệt là 1550nm, trở thành lựa chọn phổ biến trong ứng dụng hiện nay.
Tần số 1550nm đã được khai thác, cùng với việc mở rộng các vùng tần số khác, giúp tăng cường dải tần số và tối ưu hóa các ưu điểm của cáp sợi quang.
2.3.2 Chiết suất của môi trường
Chiết suất của môi trường được xác định bởi tỷ số của vận tốc ánh sáng trong chân không và vận tốc ánh sáng trong môi trường ấy.
V n= C trong đó : n : Chiết suất của môi trường
V : Vận tốc ánh sáng trong môi trường
Chiết suất của môi trường phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng truyền cho nó.
2.3.3 Hiện tượng phản xạ ánh sáng toàn phần
Cho một tia sáng đơn sắc đi từ môi trường có chiết suất n1 sang môi trường thứ hai có chiết suất n2 (n1 n2
- Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn.
Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang
2.4.1.Nguyên lý truyền dẫn chung Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo gồm một lõi (core) bằng thuỷ tinh có chiết suất n1 và một lớp bọc (cladding) bằng thuỷ tinh có chiết suất n2 với n1 > n2 ánh sáng truyền trong lõi sợi quang sẽ phản xạ nhiều lần (phản xạ toàn phần) trên mặt tiếp giáp giữa lõi và lớp vỏ bọc
Ta đã biết điều kiện xảy ra hiệ tượng tàn phần là:
+ Góc tới lớn hơn góc tới hạn.
Do đặc điểm cấu tạo của sợi quang, điều kiện n1 > n2 được thiết lập Điều quan trọng tiếp theo là góc tới αt phải lớn hơn góc tới hạn αth (αt > αth) Từ đó, khái niệm khẩu độ số NA (Numerical Aperture) được đưa ra, phản ánh khả năng ghép luồng bức xạ quang vào sợi quang Để tính toán NA, áp dụng công thức Snelious: n0Sinαth = n1.Sinβ, trong đó n0 = 1 là chiết suất của không khí.
∆ gọi là độ lệch chiết suất tương đối
Để đạt được hiện tượng phản xạ toàn phần trong lõi cáp, nguồn sáng cần được đưa vào lõi cáp trong một hình nón có góc mở nhất định.
2.4.2 Sự lan truyền các mode trong sợi quang n0 n 2 n 1 α th α t β
Theo quan điểm về truyền dẫn sóng điện từ, để hiểu rõ bản chất của quá trình truyền dẫn ánh sáng, cần giải phương trình sóng Một mode là trạng thái dao động điện từ tương ứng với nghiệm của phương trình sóng, và số lượng các mode liên quan đến sóng điện từ đơn thỏa mãn các phương trình Maxwell cùng với điều kiện biên của sợi quang.
Các mode của sóng điện từ được phân loại thành mode với tổn hao thấp, mode vỏ với tổn hao cao và các mode rò, mỗi loại có những đặc tính riêng Khi ánh sáng được đưa vào sợi quang, phần lớn năng lượng tập trung trong ruột sợi, trong khi năng lượng rò ra vỏ dẫn đến sự hình thành mode vỏ và mode rò, nhưng mode rò sẽ nhanh chóng bị dập tắt Do đó, các mode truyền dẫn trong ruột sợi là mối quan tâm chính, với những đặc tính đặc trưng riêng biệt.
- Các mode hoàn toàn độc lập với nhau.
- Mỗi mode có một tốc độ lan truyền rộng.
- Mỗi mode chỉ tồn tại cho một bước sóng xác định của nguồn sáng.
Thực tế phải tồn tại một bước sóng giới hạn λg sao cho các bước sóng của các mode đều phải tuân theo điều kiện λ > λg.
Số lượng mode lan truyền trong sợi quang phụ thuộc vào tỷ số dk/λ; khi dk lớn hơn λ nhiều, sợi có thể truyền vô số mode, trong khi dk rất nhỏ chỉ cho phép một mode cơ bản (sợi đơn mode) Tham số cấu trúc V, hay tần số chuẩn hoá, được định nghĩa để mô tả hiện tượng này.
Với sợi SI, nếu V 7 àm):
Do tương tác giữa các liên kết dao động và trường của tín hiệu quang (Cộng hưởng dao động).
Do bản chất vô định hình của thuỷ tinh các cộng hưởng này ở dạng các dải hấp thụ có đuôi dài mở rộng vào vùng nhìn thấy.
Hấp thụ thuần trong dải 0.8-1.6 àm < 0,1 dB/km.
2.6.2.2.Suy hao do tán xạ:
- Sự thay đổi vi mô về mật độ trong vật liệu
- Sự thăng giáng thành phần
- Các khuyết tật hoặc cấu trúc không đồng nhất trong quá trình sản xuất sợi
Quan trọng: Sự thăng giáng mật độ dẫn đến các thăng giáng ngẫu nhiên của chiết suất n cỡ < bớc sóng λ ⇒ Tán xạ Rayleigh
* Tán xạ do mặt phân cách giữa lõi và lớp vỏ bọc không hoàn hảo:
Khi ánh sáng chiếu vào các điểm không hoàn hảo giữa lõi và lớp vỏ, tia sáng sẽ bị tán xạ Điều này dẫn đến việc một tia tới có nhiều tia phản xạ với các góc khác nhau; những tia có góc phản xạ nhỏ hơn góc tới hạn sẽ khúc xạ ra ngoài lớp vỏ và dần bị suy hao.
Sự xuất hiện của các chỗ không đồng nhất trong quá trình làm nguội sợi và các mối hàn quang không đạt chuẩn có thể gây ảnh hưởng đến hiệu suất của sợi quang Kích thước của những chỗ không đồng nhất này thường nhỏ hơn bước sóng ánh sáng Trong vùng hồng ngoại, khi bước sóng tăng, sự tiêu hao năng lượng giảm nhanh chóng, tỷ lệ nghịch với lũy thừa bậc 4 của bước sóng.
Và tỷ lệ nghịch với luỹ thừa bậc 4 của bước sóng nên giảm nhanh về phía bước sóng dài.
Hình 2.7: Suy hao do tán xạ reyleigh
Trong đú hằng số C nằm trong phạm vi 0,7-0,9 (dB/km)-àm α(dB/Km)
2 λ(nm) αR = 0.12 - 0,16 dB/km tại 1,55 àm
2.6.2.3.Suy hao do sợi bị uốn cong
Suy hao do uốn cong sợi là hiện tượng suy hao không cố hữu, xảy ra khi sợi dẫn quang bị uốn cong theo một đường cong có bán kính xác định Khi đó, ánh sáng sẽ phát xạ ra ngoài vỏ sợi, dẫn đến sự suy hao tín hiệu.
Có 2 loại suy hao do uốn cong sợi:
* Uốn cong vĩ mô: Là uốn công có bán kính uốn cong lớn tương đương hoặc lớn hơn đường kính sợi.
- Khi bán kính R giảm dần thì suy hao tăng theo hàm mũ.
- Ở sợi đa mode: Số lượng mode truyền dẫn trong sợi bị uốn cong nhỏ hơn sợi thẳng.
Số lượng mode hiệu dụng:
* Uốn cong vi mô: Là sợi bị uốn cong nhỏ một cách ngẫu nhiên
- Do quá trình sản xuất sợi quang và chế tạo cáp sợi quang tạo lực nén không đều lên bề mặt.
- Để giảm suy hao vi uốn cong bọc thêm lớp đệm chịu nén bằng polyme.
- Đối với sợi SM chọn tham số V sát với giá trị cắt V = 2,0 - 2,4
2.6.2.4.Một số suy hao khác
- Suy hao do sự không hoàn hảo cấu trúc sợi quang
- Suy hao do hàn nối
- Suy hao trong môi trờng hidrogen và chiếu xạ gamma
Tổng hợp các loại suy hao trong sợi quang và biểu diễn tương quan theo bước sóng giúp nhận diện phổ của từng loại sợi Mỗi loại sợi quang có đặc tính suy hao riêng biệt, với đặc tuyến điển hình của sợi đơn mode được thể hiện trong hình 2.8.
Nhìn vào hình 2.8 ta thấy có ba vùng bước sóng suy hao thấp nhất, còn gọi là ba cửa sổ suy hao.
Hình 2.8: Cửa sổ suy hao (phổ suy hao) của sợi quang
* Cửa sổ thứ nhất: Ở bước sóng 850nm, suy hao trung bình ở mức từ (2-3)dB/Km, được dùng cho giai đoạn đầu.
Cửa sổ thứ hai ở bước sóng 1300nm có suy hao tương đối thấp, chỉ khoảng 0,4 đến 0,5 dB/Km Với độ tán sắc rất thấp, bước sóng này hiện đang được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng truyền dẫn quang.
Cửa sổ thứ ba ở bước sóng 1550nm có suy hao thấp nhất khoảng 0,2 dB/Km, mặc dù độ tán sắc của sợi quang ở bước sóng này lớn hơn so với 1300nm Tuy nhiên, việc sử dụng sợi có dạng phân bố chiết suất đặc biệt có thể giảm độ tán sắc, mang lại lợi ích cho việc sử dụng cửa sổ thứ ba với suy hao thấp và tán sắc nhỏ Dự kiến, bước sóng 1550nm sẽ được áp dụng rộng rãi trong tương lai.
Hình 2.9: Đặc tuyến suy hao
Khi truyền dẫn tín hiệu quang số, hiện tượng giãn xung xuất hiện tại đầu thu, dẫn đến việc các xung lân cận có thể chồng lên nhau, gây khó khăn trong việc phân biệt chúng Hiện tượng này, được gọi là tán sắc, gây ra méo tín hiệu khi tái sinh Đối với tín hiệu analog, tán sắc làm giảm biên độ tín hiệu tại đầu thu và gây ra hiện tượng dịch pha.
Hình 2.10 Ảnh hưởng tán sắc lên tín hiệu digital(a) và analog(b) S chỉ tín hiệu phát, A chỉ tín hiệu thu a: Dẫn xung, b: xụt biên độ.
Hậu quả của tán sắc là làm giảm biên độ băng thông của sợi quang, vì để thu nhận chính xác các xung tín hiệu, cần phải chờ cho xung đầu tiên kết thúc trước khi xung thứ hai có thể được gửi đi.
Nếu hai xung liên tục được phát với tần số rất lớn, ở đầu thu bị giãn rộng đè lên nhau dẫn tới thu sai.
Hấp thụ do tạp chất
Trong ví dụ ở hình trên, các xung phát và thu có dạng phân bố gần giống như phân bố Gauss Xung 1 đại diện cho xung phát, trong khi xung 2 là xung thu Độ rộng của xung tại giá trị biên độ 0,5 (mức 3dB) được ký hiệu là τs và τe Độ giãn xung được tính bằng công thức τ = τ²s - τ²e.
Xung phân bố Gauss có phân bố biên độ là :
Sau khi tín hiệu được truyền qua sợi quang, nó hoạt động tương tự như một bộ lọc thông thấp Gauss với mức suy hao 3 dB Độ rộng băng truyền dẫn B có mối quan hệ với tham số τ, cụ thể là τ = 26,2.
Khi đồng thời có nhiều hiệu ứng tán sắc tác động thì tán sắc tổng cộng là: τ τ τ τ 1
Dung lượng truyền dẫn của sợi quang được định nghĩa bằng tốc độ bit tối đa mà nó có thể truyền dẫn, ký hiệu là C bit/s.
Cấu trúc sợi quang
2.7.1 Cấu trúc của sợi quang
Vùng đơn mode Vùng đa mode
Sợi quang bao gồm hai thành phần chính là lõi (core) và lớp bọc (cladding), trong đó lõi dẫn ánh sáng và lớp bọc giữ ánh sáng tập trung nhờ hiện tượng phản xạ toàn phần Trong viễn thông, loại sợi quang thường sử dụng là loại có cả hai lớp này làm bằng thủy tinh Để bảo vệ sợi quang khỏi các tác động từ môi trường bên ngoài, nó còn được bọc thêm một vài lớp bảo vệ khác.
- Lớp phủ hay lớp vỏ thứ nhất (primary coating)
- Lớp vỏ thứ hai (Secondary coating)
Lớp phủ có tác dụng bảo vệ sợi quang:
- Chống lại sự xâm nhập của hơi nước.
- Tránh sự trầy sướt gây nên những vết nứt
- Giảm ảnh hưởng vì uốn cong
Lớp phủ được hình thành trong quá trình kéo sợi, với chiết suất lớn hơn lớp bọc để ngăn chặn tia sáng truyền trong lớp bọc, từ đó tránh hiện tượng phản xạ toàn phần Lớp phủ có thể được nhuộm màu hoặc thêm vòng đánh dấu, và cần phải tẩy sạch lớp phủ khi hàn nối sợi hoặc ghép ánh sáng vào sợi Độ đồng nhất, bề dày và độ đồng tâm của lớp phủ ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của sợi quang.
Lớp vỏ quang sợi đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường khả năng chịu đựng của sợi quang trước các tác động cơ học và biến đổi nhiệt độ Hiện nay, lớp vỏ này có nhiều dạng chính khác nhau.
250àm 125àm lớp vỏ Lớp phủ lớpbọc
- Dạng ống đệm lỏng (Loose buffer)
- Dạng đệm khít (tight buffer)
Mỗi dạng có những ưu nhược diểm khác nhau do đó được sử dụng trong từng điều kiện khác nhau. a) Dạng ống đệm lỏng:
Sợi quang (đã bọc lớp phủ) được đặt trong một ống đệm có đường kính lớn hơn đường kích thước sợi quang
Ống đệm lỏng thường bao gồm hai lớp: lớp trong có hệ số ma sát thấp cho phép sợi quang di chuyển tự do khi cáp bị kéo căng hoặc co lại, và lớp ngoài bảo vệ sợi quang khỏi tác động của lực cơ học Đối với cáp trong nhà, ống đệm lỏng không cần chất nhồi, nhưng đối với cáp ngoài trời, cần bơm thêm chất nhồi với các tính chất đặc biệt để đảm bảo hiệu suất và độ bền.
- Có tác dụng ngăn ẩm
- Có tính nhớt không tác dụng hoá học với các thành phần khác của cáp
- Dễ tẩy sạch khi cần hàn nối
Cấu trúc ống đệm lỏng mang lại nhiều lợi ích, đặc biệt trong các hệ thống truyền dẫn yêu cầu chất lượng cao và khả năng thích ứng với môi trường biến đổi Bên cạnh đó, dạng đệm khít cũng đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất truyền dẫn.
Để bảo vệ sợi quang khỏi các điều kiện bên ngoài, một giải pháp hiệu quả là bọc lớp vỏ ôm sát lớp phủ Phương pháp này giúp giảm kích thước và trọng lượng của cáp, nhưng sợi quang có thể bị ảnh hưởng khi cáp bị kéo căng Để giảm thiểu tác động này, người ta thường chèn thêm một lớp đệm mềm giữa lớp phủ và lớp vỏ, tạo ra cấu trúc đệm tổng hợp Cáp sợi quang với vỏ đệm khít và đệm tổng hợp thường được sử dụng cho các ứng dụng trong nhà và làm dây nhảy kết nối các trạm đầu cuối.
1,2 ÷ 2mm sợi quang lớp phủ ốngđệm chất nhồi
Sợi Sợi quang c) Dạng băng dẹt:
Cấu trúc băng dẹt cung là một loại vỏ đệm khít với nhiều sợi quang, có thể chứa lên đến 12 sợi Bề rộng của mỗi băng phụ thuộc vào số lượng sợi bên trong Tuy nhiên, nhược điểm của cấu trúc này tương tự như cấu trúc đệm khít, tức là sợi quang sẽ bị ảnh hưởng trực tiếp khi cáp bị kéo căng.
2.7.2 Yêu cầu đối với sợi quang
Các sợi quang, giống như trong cáp thông tin điện, không được sử dụng ngay sau khi chế tạo mà phải qua quy trình sản xuất cáp Để đảm bảo hiệu suất tối ưu, sợi quang cần đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt.
1 Về cơ: bền vững, không bị đứt gãy dưới tác dụng của lực kéo, lực cắt ngang và lực uốn cong Không bị dãn nở quá lớn do tác động của lực kéo thường xuyên Tốc độ lão hoá chậm. Đặc tính cơ học của sợi quang được quyết định bởi vật liệu chế tạo sợi và bởi lớp vật liệu bên ngoài Nếu do tác động của lực kéo và lực uốn cong mà sợi bị đứt thì có thể do nhiều nguyên nhân, người ta chia ra ba loại sau:
- Đứt do lực kéo lớn, khoảng > 40 N (Newton), nguyên nhân có thể do cấu trúc của thạc anh hoặc trên bề mặt sợi có đôi chỗ bị rạn nhỏ.
- Đứt do lực kéo trung bình, khoảng từ 15 đến 40 N, thường do các tạp chất nằm trong lớp vỏ sợi, gây nên các chỗ khuyết tật. băng 4 sợi băng 8 sợi
Đứt do lực kéo yếu, dưới 15 N, thường xảy ra do các khuyết tật trên bề mặt, sự hiện diện của bọt khí, tạp chất trong lớp bảo vệ, hoặc do chất lượng phủ lớp bảo vệ kém.
Khi quấn sợi để tạo cáp, lực kéo có thể lên đến vài Newton, đặc biệt trong trường hợp nguy hiểm thứ ba Để đảm bảo cáp được chế tạo chắc chắn và bền vững trong quá trình thử nghiệm, sợi phải có khả năng chịu lực kéo khoảng 4 – 5 N trong 1 giây.
Sợi được phủ lớp nhựa bảo vệ Acrylat cần chịu lực thử 50 N để đảm bảo khả năng kéo dài lên đến 10Km.
2 Về đặc tính truyền dẫn ánh sáng: Vật liệu phải có tính tinh khiết, không có tạp chất. Cấu tạo vỏ và ruột đều đặn, không có chỗ khuyết tật để tránh làm tán xạ ánh sáng, sinh thêm tiêu hao phụ và méo xung tín hiệu. Đặc tính truyền dẫn ánh sáng của sợi được quyết định bởi kích thước của ruột sợi, bởi chiết suất trong ruột và vỏ sợi và bởi độ đồng đều của chiết suất, tức là phụ thuộc vào công nghệ và kỹ thuật chế tạo sợi.
Các phương pháp chế tạo sợi quang
2.8.1.Vật liệu chế tạo sợi
Sợi dẫn quang cơ bản bao gồm lõi và vỏ phản xạ, tạo thành một cấu trúc dài và mảnh, có khả năng truyền thông tin với tốc độ cao và khoảng cách xa Do đó, việc chọn vật liệu cho sợi quang cần phải đảm bảo phù hợp với tính chất truyền tín hiệu của chúng.
- Vật liệu phải đảm bảo tạo được các sợi dẫn quang dài, mảnh và mềm dẻo
- Vật liệu phải đảm bảo trong suốt tại các bước sóng hoạt động thông dụng, tạo cho sợi truyền tín hiệu tốt, ít bị suy hao và méo.
Các vật liệu được sử dụng để chế tạo lõi và vỏ sợi cần có tính chất vật lý tương thích, nhằm tạo ra sự chênh lệch chỉ số chiết suất giữa lõi và vỏ ở mức độ khá nhỏ.
Vật liệu phổ biến nhất trong lĩnh vực truyền dẫn là thủy tinh và chất dẻo trong suốt Mặc dù sợi làm bằng chất dẻo ít được sử dụng hơn do độ suy hao cao hơn so với sợi thủy tinh, chúng vẫn có ứng dụng nhất định, chủ yếu cho cự ly ngắn và tốc độ thấp Sợi chất dẻo thường được sử dụng trong các môi trường có tác động cơ học mạnh, nơi chất lượng truyền dẫn không phải là ưu tiên hàng đầu.
2.8.2.Các phương pháp chế tạo sợi quang
Có hai phương pháp chế tạo sợi quang:
Phương pháp thứ nhất: là vật liệu làm ruột và làm vỏ được đưa vào lò nấu chảy rồi cho kéo chảy ra ngoài thành dạng sợi
Phương pháp thứ hai: Sử dụng phôi có sẵn cũng gồm có vỏ và ruột đêm kéo nóng thành sợi.
Để đảm bảo kích thước hình học và dạng đường cong biến thiên theo yêu cầu, cần duy trì nhiệt độ và tốc độ kéo ổn định Cần chú ý tránh bụi bẩn và tạp chất nhằm bảo vệ bề mặt sợi Trong quá trình kéo, khi sợi vẫn đang óng, sẽ được phủ lớp bảo vệ để sau khi nguội, sợi có lớp bảo vệ hoàn chỉnh và đồng đều.
2.8.3.Các phương pháp chế tạo phôi sợi
2.8.3.1.Phương pháp thanh ống cổ điển
Phương pháp chế tạo sợi quang có tiêu hao bé được áp dụng trong giai đoạn đầu thử nghiệm Nó sử dụng một thanh thủy tinh hoặc thanh thạch anh làm vật liệu ruột, được luồn vào một ống thủy tinh có chiết suất nhỏ hơn để làm vỏ sợi Đường kính ngoài của thanh phải khít với đường kính trong của ống, không để lại khe hở cho không khí lọt vào Phương pháp này chỉ phù hợp cho việc chế tạo sợi đa mốt SI.
Phương pháp này gặp nhược điểm khi bề mặt phân cách giữa vỏ và ruột phôi có khuyết tật, không đồng đều hoặc không tinh khiết Những khuyết tật này sẽ tồn tại khi kéo thành sợi, dẫn đến tổn hao tán xạ lớn.
2.8.3.2.Phương pháp nồi nấu đôi (Double Orucible)
Hỡnh 2.17 Phương phỏp nấu nồi đụi
Dùng phương pháp này để chế tạo ra sợi chứ không để chế phụi
- Tránh được cỏc chỗ khuyết tật trờn lớp phõn cỏch- ruột sợi mà phương pháp thanh ống gặp phải
Phương pháp chế tạo sợi thủy tinh được giới thiệu qua hình vẽ tổng quát, trong đó thủy tinh được nấu riêng thành các chất lỏng và đưa vào nồi hai lớp Đầu ra của nồi nấu có van hai lớp cho phép kéo sợi liên tục, giúp đạt được sợi rất dài Sợi nóng được kéo qua bề phủ chất bảo vệ trước khi cuốn thành cuộn Phương pháp này có thể chế tạo sợi SI và sợi GI, sử dụng lũ nấu từ chất Platin tinh khiết để tránh tạp chất Tuy nhiên, nồi nấu vẫn có thể mang tạp chất vào thủy tinh, gây cản trở trong việc chế tạo sợi có suy hao bộ Sự biến thiên của chiết suất sợi đạt được nhờ sự khuếch tán của thủy tinh nóng chảy tại lớp phân chia và sự kết hợp của hai loại thủy tinh Phương pháp này vẫn chưa thực hiện được cho việc chế tạo sợi đơn mốt với đường kính rất nhỏ.
2.8.3.3.Phương pháp đọng hơi hóa chất
Các phương pháp chế tạo sợi quang hiện đại đều dựa trên nguyên lý cơ bản là sử dụng phương pháp đọng hơi để tạo phôi, sau đó kéo thành sợi từ thể hơi Sợi quang cần đạt yêu cầu có hai lớp vỏ và lõi, với kích thước tỷ lệ vỏ và lõi cùng sự biến thiên của chiết suất phải đúng với giá trị của loại sợi đang chế tạo Đây là một thành công lớn của công nghệ mới, cho phép chế tạo sợi thô và kéo nhỏ thành sợi cần thiết Công nghệ này cũng giúp sản xuất sợi đơn mốt SM với tổn hao bộ vỡ sợi từ thể khối mà không mang lẫn tạp chất Trong phương pháp đọng hơi hóa chất, xuất hiện một số phương pháp dẫn xuất khác nhau, nhưng vẫn không đi chệch khỏi nguyên lý cơ bản này.
2.8.3.3.1.Phương pháp đọng hơi hóa chất: (chemical vapour deposition-
Sơ đồ của phương pháp này cho trên hỡnh
Hỡnh 2.18 Phương phỏp đọng hơi hoỏ chất
Để thay đổi chiết suất trong quá trình chế tạo, người ta sử dụng các chất phụ gia như GeO2, P2O5, B và F Trong đó, GeO2 và P2O5 có tác dụng làm tăng chiết suất, trong khi B và F lại giúp giảm chiết suất của thủy tinh thạch anh.
Nguyên liệu sử dụng cho quá trình này là ống thạch anh thuần khiết, với các chất lỏng như Tetra-clorit-silic (SiCl4), Tetra-clorit-Giecmani (GeCl4), O2, PCl3, BCl3 (FCl3) được chọn tùy theo nhà sản xuất Có hai loại cấu trúc ống: một loại có vỏ
2.8.3.3.2.Phương pháp đọng hơi hóa chất nhờ Plasma (Plasma chemical vapour Deposition- PCVD)
Khỏi quỏt về phương pháp này như hỡnh vẽ:
Hỡnh 2.19: Phương phỏp PCVD tạo phụi
Phương pháp đọng hơi hóa chất bờn trong sử dụng nguyên liệu ở thể hơi, được cung cấp qua ống thủy tinh trong lò nung ở nhiệt độ 1150°C Quá trình phản ứng diễn ra nhờ vào plasma được tạo ra từ bộ cộng hưởng súng cực ngắn, có khả năng di chuyển dọc theo ống Bơm giữ áp lực trong ống giúp tạo plasma và hút khí thừa ra ngoài Kết quả là đường bao chiết suất rất chính xác, nhờ vào việc tạo ra hàng nghìn lớp rất mỏng trên thành ống, sau đó ống được nung chảy ở 2000°C để hình thành phôi đặc.
2.8.3.3.3.Phương pháp đọng hơi hóa chất bờn ngoài ( Outside Chemical Vapour Deposition- OCVD)
Phương pháp này được phát triển bởi Corning Glass (Mỹ) và sử dụng một thanh thủy tinh thay cho hai phương pháp trước đó Các vật liệu đọng hơi xung quanh thanh cũng được xử lý theo cách tương tự Sau khi phủ đủ các lớp yêu cầu, thanh thủy tinh sẽ được rút nhanh lại thành một ống rỗng Tiếp theo, ống này sẽ được nung chảy ở nhiệt độ 2000°C để tạo ra phôi đặc Phương pháp này cho phép sản xuất ống có kích thước lớn, từ đó kéo được sợi quang dài hàng chục kilomet.
2.8.3.3.4.Phương pháp đọng hơi hóa chất theo trục ( Vapour Axial
Phương pháp này, được phát triển và cải tiến liên tục tại Nhật Bản, sử dụng kỹ thuật bốc hơi và ngưng tụ các vật liệu tạo ruột và vỏ sợi vào đầu của một thanh thủy tinh xoay tròn Khi thanh này di chuyển dọc theo trục, nó tạo ra phôi sợi Việc điều chỉnh hàm lượng các chất phụ gia giúp đạt được chỉ số chiết suất mong muốn Phôi sau đó được kéo qua lò nung để tạo ra kích thước hình học đồng nhất cho sợi Ưu điểm nổi bật của phương pháp là tốc độ đọng hơi cao và hiệu suất sử dụng nguyên liệu đạt từ 60-80%, cho phép chế tạo sợi với độ rộng băng truyền dẫn rất lớn.
Nguyờn lý của quỏ trỡnh kộo sợi từ phôi được mụ tả trờn hỡnh vẽ:
Hỡnh 2.20 Nguyờn lý của quỏ trỡnh kộo sợi từ phụi
Sợi kộo được tạo ra từ lũ nung có đường kính ngoài đạt yêu cầu Để đảm bảo kích thước hình học đồng đều và đường bao chiết suất ổn định, nhiệt độ của phụt và tốc độ kộo cần phải duy trì ở mức rất ổn định.
Lưu ý không để bụi bẩn bám vào bề mặt sợi, vì điều này có thể gây ra các vết gãy nhỏ sau này Sợi được bảo vệ bởi hai lớp phủ: lớp bên trong mềm và lớp bên ngoài cứng, được làm từ chất liệu quang hóa Nguồn bức xạ cực tím giúp đạt được tốc độ kéo sợi rất lớn.
2.8.5 Nguyên tắc tạo ra sợi quang mới
