Lời nói đầu Hiện nay, sống hàng ngày thông tin liên lạc đóng vai trò quan trọng thiếu đợc, định nhiều mặt hoạt ®éng cđa x· héi, gióp ngêi n¾m b¾t nhanh chóng giá trị văn hoá, kinh tế, khoa học kĩ thuật đa dạng phong phú Trong lĩnh vực viễn thông nhờ thành tựu công nghệ bán dẫn điện tử, công nghệ thông tin, phát minh quang học, vi ba số đà tạo đà tạo nên bớc nhảy vọt kỳ diệu Dựa thành đó, kĩ thuật thông tin quang đời phát triển nhanh chóng Thông tin quang với nhiều công nghệ khác đà đợc phát triển, đáp ứng nhu cầu thông tin ngày tăng số lợng chất lợng, tạo nhiều thuận lợi miền thời gian nh không gian, chắn tơng lai thông tin quang hoàn thiện nhiều để thoả mÃn nhu cầu thông tin tự nhiên ngời Mục tiêu báo cáo nghiên cứu nguyên lý thông tin quang Báo cáo đợc bố cục theo nội dung sau: Chơng I : Cơ hệ thống thông tin quang Chơng II : Lý thuyết chung sợi dẫn quang Chơng III : Các thông số cấu trúc cáp sợi quang Chơng IV : Các linh kiện biến đổi quang điện Xin chân thành cảm ơn Tiến Sĩ Nguyễn Vũ Sơn, thầy cô giáo đà dạy dỗ suốt trình học tập giúp đỡ em hoàn thành báo cáo nhiên thời gian, tài liệu nh khả hạn chế, báo cáo không tránh khỏi thiếu sót, mong thông cảm, đóng góp ý kiến thầy cô bạn Hà Nội, ngày 30 tháng năm 2006 Sinh viên thực : Trần Quốc Hoàn Chơng I : hệ thống thông tin quang I Quá trình phát triển hƯ thèng th«ng tin quang LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) phát minh lớn kỷ XX Trên sở lý thuyết xạ kích thích Einstein quan sát thực nghiệm xạ kích thích Báo cáo thực tập Fabricant (GS trờng đại học lợng Matxcova_1940), Townes_nhà vật lý Mỹ đà phát minh máy khuyếch đại sóng điện từ xạ kích thích Tháng 2/1960, Maiman chế tạo laser Rubi-Laser giới Tháng 6/1960, Javan chế tạo laser khí He_Ne Từ đà dấy lên cao trào nghiên cứu chế tạo ứng dụng laser Đến nay, laser đà đợc chế tạo ứng dụng rộng rÃi hầu khắp cácc nghành khoa học công nghệ y tế Nhng ứng dụng quan trọng thông tin cáp sợi quang Về lý thuyết, nguồn laser có khả truyền dẫn băng rộng cực lớn (10 triệu kênh TV) nên đầu năm 1960, ngời ta đà thực số thí nghiệm sử dụng kênh ánh sáng không khí (HTTTQ khí quyển) để truyền tín hiệu Kết thu đợc khả thi nhiên hệ thống thông tin khí có nhợc điểm chi phÝ rÊt cao céng víi m«i trêng kh«ng khÝ kh«ng ổn định chịu nhiều tác động ma, sơng mù, tuyết, Đồng thời với thực nghiệm nghiên cứu sợi quang chúng tạo kênh thông tin tin cậy linh hoạt kênh không khí : + Ban đầu suy hao vô lớn (trên 1000dB/km) + 1966 : Kao Hockman Wertst phán đoán giá trị suy hao lớn độ không tinh khiết nguyên liệu sợi quang + 1970 Kapron Keck Maurer chế tạo sợi Silic có suy hao 20dB/km Tại giá trị này, khoảng cách lặp tuyến sợi quang sánh với hệ thống cáp đồng Do đà đa công nghệ sóng ánh sáng vào thực tế kỹ thuật + Hai thập kỷ đà nghiên cứu chế tạo đợc loại sợi có suy hao 0,16dB/km bớc sóng = 1550nm (giá trị lý thuyết 0,14dB/km) Những ứng dụng hệ thống thông tin sợi quang chủ yếu đờng trung kế Các tuyến số gồm kênh thoại 64Kbp đợc ghép TDM theo chuẩn PDH Châu Âu, Bắc Mỹ Nhật Từ năm 90 trở lại đây, tuyến sợi quang theo tiêu chuẩn SDH đà dần thay tuyến PDH phạm vi rộng khắp Ngoài sợi quang đợc sử dụng rộng rÃi nhiều ứng dụng khác mạng nội hạt, ISDN với nhiều loại sợi (đa mode đơn mode) nhiều bớc sóng (850,1310,1550nm) SVTH : Trần Quốc Hoàn Báo cáo thực tập nhiều khoảng cách (500m n x 10km → n x 1000km) nhiỊu tun (c¸p chôn, cáp treo, cáp quang biển) Hiu sut h thng ( Gbps.km) Hệ thống 5Gbps, 233km với KĐ quang T¸ch sãng trực tiếp sợi đơn mode1550nm 10000 1000 Sợi đ¬n mode 1300nm (2) 100 10 Sợi đa mode 850nm 0.1 Trong tơng78lai, dụng mạng toàn quang bao 74 76 80 hƯ 82thèng 84 nµy 86 88sử 90 Nm gồm thành mạch, lặp,hệkhối truythông nhập tin mạng sở công Hìnhphần : Sựchuyển phát triển củabộcác thống quang nghệ quang Ngoài truyền dẫn soliton đợc nghiên cứu phát triển II Mô hình hệ thống Máy thu Máy phát Tín hiu in vào Mch iu khin Ngun phát quang B lặp Thu quang Kh«i phơc tÝn hiƯu Sợi quang E/O O/E Hình : Cấu trúc điển hình tuyến thông tin sợi quang Cấu trúc điển hình tuyến thông tin sợi quang đợc mô tả hình Các phần tử bao gồm : nguồn sáng, sợi quang tách sóng quang (đi kèm mạch điều khiển, khuyếch đại, khôi phục tín hiệu) Các phần tử phụ bao gồm : Bộ lặp (đầu cuối đờng dây) tách ghép (add/drop) Nói chung, tín hiệu điện (phát từ điện thoại, đầu cuối số liệu, máy Fax, ) đợc biến đổi thành tín hiệu quang thông qua biến đổi điện/quang (E/O) Khi đó, mức tín hiệu đợc biến đổi thành tín hiệu quang tơng ứng, mức tín hiệu điện đợc biến đổi thành tắt/bật án sáng đa tín hiệu vào sợi quang Các tín hiệu truyền lan SVTH : Trần Quốc Hoàn Tớn hiu in Báo cáo thực tập sợi quang tới đầu thu, tín hiệu đợc biến đổi quang/điện (O/E), khôi phục lại tín hiệu phía phát + Bộ E/O linh kiƯn ph¸t s¸ng nh LED, LD + Bé O/E chÝnh linh kiện thu ánh sáng nh phôtdiode + Bộ lặp : biến đổi, tái tạo tín hiệu nhằm bù đắp suy hao trình truyền dẫn + Bộ tách/ghép : tách/ghép tín hiêu đa tới từ thiết bị khác III Đặc điểm thông tin quang Hệ thống thông tin quang có số u điểm so với hệ thống sử dụng cáp đồng cổ điển sử dụng đặc tính sợi quang, linh kiƯn thu quang, ph¸t quang Suy hao dB/km C¸p song hành (0,65 mm) Cáp kim loi Cáp ng trc (2,695mm) Sợi quang đa mode chiết suất bậc C¸p sợi quang (bước sãng 1,3μm) Sợi quang đa mode chiết suất biến đổi (50/125μm) Sợi quang đơn mode (10/125μm) Tần số (MHz) 10 20 50 100 200 500 1000 H×nh 3: Các đặc tính truyền dẫn cáp quang cáp kim loại 1) Đặc điểm chủ yếu sợi cáp quang a/ Suy hao thÊp : suy hao cđa c¸p quang thấp so với cáp song hành kim loại cáp đồng trục b/ Độ rộng băng : cáp sợi quang truyền tải tín hiệu có tần số cao nhiều so với cáp đồng trục, mức độ khác tuỳ thuộc vào sợi cáp quang c/ Đờng kính sợi nhỏ, trọng lợng nhẹ : cáp sỵi quang nhá vỊ kÝch thíc, nhĐ vỊ träng lỵng so với cáp đồng Một sợi cáp quang có đờng kính với cáp kim loại chứa số lợng lớn lõi sợi quang số lợng lõi kim loại cỡ Các đặc điểm sợi có u điểm lớn lắp đặt cáp SVTH : Trần Quốc Hoàn Báo cáo thực tập d/ Đặc tính cách điện : thuỷ tinh không dẫn điện, cáp sợi quang không chịu ảnh hởng điện từ trờng bên (cáp diện cao thế, sóng vô tuyến truyền hình) đặc tính cã mét sè u thÕ rÊt lín mét sè ứng dụng cụ thể Nh vy không cn thit phi tách cáp thông tin thit b g©y cảm ứng điện từ trường, bảo vệ an toàn cho công nhân cng nh n nh cht lng thông tin e/ Tiết kiệm tài nguyên : thạch anh nguyên liệu để sản xuất sợi quang So với cáp kim loại, nguồn nguyên liệu dồi hơn.Hơn nữa, số lợng nhỏ nguyên liệu sản xuất đợc đoạn cáp quang dài 2) u điểm c¸c linh kiện thu ph¸t quang + Cã khả điều chế tốc độ cao nªn sử dụng truyền dẫn tÝn hiệu tèc độ cao vµ băng rộng + KÝch thước nhỏ, hiệu suất biến đổi quang - điện cao + Cho phÐp suy hao m¸y phát máy thu ln linh kin có kh nng phát x công sut quang ln nhạy m¸y thu cao đảm bảo chất lượng truyền dn Trong h thng thông tin quang, khong cách gia trm lp có th lên ti vài chc kilomet kết hợp c¸c đặc điểm suy hao thp, bng rng , linh kin phát quang có công suất cao, độ nhạy linh kiện thu cao Số lượng trm lp ng dây gim i k so vi số lượng trạm lặp c¸p kim loại cổ điển, vài tuyn in thoi có th liên lc vi trc tip không thông qua bt c trm lp Hệ thống th«ng tin sợi quang thực tế kinh tế, độ tin cậy cao đồng thời dễ dµng lắp t bo dng Hn na, truyn dn ghép kênh dung lượng lớn cho phÐp thực c¸c dịch vụ truyền video cã nhu cầu ph¸t triển lớn Điều s làm cho giá thành dch v gim thp SVTH : Trần Quốc Hoàn Báo cáo thực tập Chơng II : lý thuyết chung sợi dẫn quang I Cơ sở quang học Trong hệ thống th«ng tin quang, thông tin c truyn ti bng ánh sáng Chúng ta s nghiên cu ti c tính ca ánh sáng rt cn thit hiu c s lan truyn ca ánh sáng si quang nguyên lý dao động laser 1) Phổ sãng điện từ C¸c xạ điện từ nói chung có chất tự nhiên xem nh sóng hạt tính chÊt sãng h¹t nỉi bËt tõng vïng Ngêi ta phân chia vùng sóng điện từ theo thông số nh sau: + Tần số : kí hiệu : f, đơn vị : Hz + Bớc sóng : kí hiệu : , đơn vị : m + Năng lợng photon : kí hiệu : E, đơn vị : ev Các thông số sử dụng rộng rÃi vùng chúng chuyển đổi theo c«ng thøc sau : C = λ.f E = hf Trong : - C vận tốc ánh sáng - C = 300.000km/s = 3.108m/s - h lµ h»ng sè Planck, h = 6,625.10 – 34Js 2) C¸c định luật ¸nh s¸ng Ta đ· biết ¸nh s¸ng truyền thẳng m«i trường đồng (chiết suất kh«ng đổi), b phn x hoc khúc x ti biên ngn cách gia hai môi trng có chit sut khác S truyền thẳng, khóc xạ vµ phản xạ lµ ba đặc im ca ánh sáng SVTH : Trần Quốc Hoàn B¸o c¸o thùc tËp Một đặc điểm quan trọng kh¸c ca ánh sáng : tc lan truyn thay i theo chit sut ca môi trng mà ánh sáng lan truyền qua Vận tốc ¸nh s¸ng khong khÝ c = 300.000 km/s (chính xác 2,9979 x 10 m/s vi tc ánh sáng 7,5 vïng quanh tr¸i đất thời gian mt giây) Trong môi trng có chit sut khúc x lớn tc ánh sáng vas = c/n , môi trng không khí chit sut khúc xạ a/ Định luật phản xạ vµ khóc xạ ¸nh s¸ng C¸c định luật ba đặc tÝnh ¸nh s¸ng cã thể giải thÝch hin tng thc t v tc ánh sáng mt nguyên lý truyn ánh sáng theo ng thng có thời gian ngắn so s¸nh với nhiều ng truyn khác ni gia hai im (nguyên lý gi nguyên lý Fecma) + Phn x Xét tia sáng AO i ti mt gng (hình 4) A B Φi Φr Tại O, tia s¸ng bị phản xạ, tia phản xạ OB O Ta cã : gãc tới Φi = gãc phản xạ Φr H×nh A + Khóc x Xét tia sáng i t môi trng có chit sut n1 ti môi trng có chit sut n2 (hình 5) Ta cã định luật Snell : Φ1 n1 O n2 Φ2 n1 sinΦ1 = n2 sinΦ2 H×nh B Hai công thc nh lut phn x khúc x ánh sáng b/ Hin tng phn x toàn phn Xét tia sáng i t môi trng có chiết suất n1 tới m«i trường cã chiết suất n2 < n1 (hình 6) A SVTH : Trần Quốc Hoàn B¸o c¸o thùc tËp Φ1 o Φc n1 > n2 n2 Φ2 H×nh (2) Khi đã, ta tăng dần gãc tới Φ1 th× gãc khóc xạ tiến dần tới 900 Φ1 → Φc th× Φ2 = 900 Φc : gọi lµ gãc tới hạn Tất c¸c tia s¸ng cã gãc tới Φ1 > Φc tia sáng s không i c vào môi trường chiết suất n2 mµ bị phản xạ mặt phân cách hin tng phn x toàn phn ¸p dụng định luật Snell ta cã : sinΦc = n2 n1 Sự lan truyền ¸nh s¸ng sợi quang da hin tng phn x toàn phn 3) ChiÕt st cđa m«i trêng ChiÕt st m«i trêng suốt đợc xác định tỷ số vận tốc ánh sáng chân không vận tốc ánh sáng môi trờng n = c/v Trong n : chiết suất môi trờng có đơn vị c : vận tốc ánh sáng chân không (m/s) v : vận tốc ánh sáng môi trêng (m/s) II Sự truyền ¸nh s¸ng sợi quang 1) Nguyên lý truyn dn chung Trong h thng thông tin quang sợi, ¸nh s¸ng truyền theo suốt sợi quang giới hạn lâi v× cã tượng phản xạ toµn phần Vỏ (chiết suất n2) Lâi (chiết suất n1) V (chit sut n2 n2) Φmax (3) Vỏ ( n2) (1) (2) H×nh : Gãc nhận sợi quang XÐt ba tia s¸ng (1), (2), (3) đưa từ nguồn s¸ng tới sợi quang (hình 8) Ti im a vào ca si quang chia thành ba môi trng lin có chit sut khúc x khác + Không khí : no =1 + Lâi sợi quang : n1 + Vỏ sợi quang : n2 < n1 Xét tia sáng (2) t không khí vµo sợi bị khóc xạ vµo lâi, tới b mt phân cách v / lõi si quang có góc khúc x = 90o Ti biên ca không khí vµ lâi, lâi vµ vỏ định luật Snell cho ta hai phương tr×nh : + sin( 90o – Φc ) = n2 n1 cosΦc = n2 n1 √n12−n 22 n1 √n12−n 22 + no.sinΦmax = n1.sinΦc sinΦmax = SVTH : Trần Quốc Hoàn n21n22 sinmax = n1 = n1 √ 2Δ n1 sinΦc = B¸o c¸o thùc tËp n21−n22 với ∆ = n21 (độ lệch chiết suất tương đối) sinΦmax gọi lµ độ số (NA) C¸c tia s¸ng cã gãc tới lớn gãc Φmax kh«ng lan truyền sợi quang bị khóc xạ vµo vỏ sợi mt phân cách v / lõi [ tia (1) ] C¸c tia s¸ng cã gãc tới nhỏ gãc Φmax lan truyền sợi quang nhờ tượng phản xạ toµn phần Như độ số (NA) cho ta bit iu kin a ánh sáng vào sợi quang : c¸c tia s¸ng muốn lan truyền sợi quang phải cã gãc tới nằm h×nh nón có góc nh = 2max , NA thông số t¸c động đến hiệu suất ghÐp nối gia ngun sáng si quang Vi mt ng kÝnh lâi sợi NA cµng lớn cho hiệu suất ghÐp cµng cao + Sợi SI ta cã : sinΦmax = + Sợi GI ta cã : sinΦmax = √ n21−n22 √ 2Δ = n1 √ n0 √ Δ 1− r a () Trong : + no lµ chiết suất lớn lâi sợi quang + a bán kính lõi si quang + r khong cách gia trc si quang im a tia sáng vào si NA ca si GI thay i theo r Nói cách khác ph thuc vào chênh lch ca chit sut v si chit sut ni b (hàm s theo bán kính ) lõi si III Các dạng phân bố chiết suất sợi quang CÊu tróc chung cđa sỵi quang gåm mét lâi b»ng thủ tinh cã chiÕt st lín vµ mét líp bäc cịng b»ng thủ tinh nhng cã chiÕt st nhá h¬n Chiết suất lớp bọc không đổi chiết suất lõi nói chung thay đổi theo bán SVTH : Trần Quốc Hoàn