cáp sợi quang và các vấn đề suy hao và tán sắc

Đặc biệt, cáp sợi quang với sự suy hao nhỏ đã làm đơn giản về việc tăng chiều dài của các tuyến trong hệ thống thông tin quang.. KHÁI NIỆM, CẤU TẠO, PHÂN LOẠI CỦA CÁP SỢI QUANG 1.Khái n

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG CNTT HỮU NGHỊ VIỆT HÀN

KHOA: TIN HỌC ỨNG DỤNG

Đ

Ề TÀI : CÁP SỢI QUANG VÀ CÁC VẤN ĐỀ SUY HAO VÀ TÁN SẮC

Giảng viên hướng dẫn : Nguyễn Vũ Anh Quang

Sinh viên thực hiện : Trần Quang Hùng Lớp : CCVT02A

MSSV : CCVT020015

Đà Nẵng tháng 03 năm 2011

2 Ý NGHĨA THỰC TIỄN:

Với sự phát triển cao của công nghệ hiện nay thì hệ thống thông tin quang giữ vai trò quan trọng trong việc truyền tín hiệu các tuyến trong nước và các tuyến xuyên lục địa đến vài km Với sự ra đời của cáp sơi quang đã làm cho hệ thống phát triển mạnh mẽ với tốc độ đường truyền cao và ưu việt hơn ít bị nhiễu và truyền xa hơn Đặc biệt, cáp sợi quang với sự suy hao nhỏ đã làm đơn giản về việc tăng chiều dài của các tuyến trong hệ thống thông tin quang Vì vậy với tốc độ cao như vậy nên các mạng lưới viễn thông quốc tế hầu hết sử dụng cáp sợi quang để truyền dẫn

- Nghiên cứu tài liệu.

- tìm hiểu về khái niệm, cấu

tạo, phân loại cáp sợi quang

- Hoàn thành báo cáo giớithiệu tổng quan về cáp sợiquang,hiểu rõ về cấu tạo và

- Hoàn thành báo cáo vàhiểu rõ vê đặc điểm vànguyên lý, và ưu điểm và

- hoàn thành báo cáo vềứng dụng và sự suy hao của

cáp sợi quang

Tuần 5

Từ 23/4/2011

Đến 29/4/2011

- Hoàn thiện báo cáo

- Chuẩn bị tài liệu thuyết

trình

- Hoàn chỉnh báo cáo, slide

thuyết trình

:

CHƯƠNG I:TỔNG QUAN VỀ CÁP SỢI QUANG

Lịch sử phát triển của cáp sợi quang :

-1790 : CLAU DE CHAPPE , kĩ sư người Pháp, đã xây dựng một hệ thốngđiện báo gồm một chuỗi các tháp với các đèn báo hiêu trên đó Tin tức vượt qua chặng đường 200km trong vòng 15 phút

-1870 : JOHN TYNDALL nhà vật lý người Anh đã chứng tỏ ánh sáng có thể dẫn được theo vòi nước uốn cong với nguyên lý phản xạ toàn phần Điều vẫn được áp dụng trong thông tin quang hiện nay

-1880 : ALEXANDER GRAHAM BELL , người Mỹ giới thiệu hệ thống thông tin Photophone Tiếng nói được truyền đi bằng ánh sáng trong môi trường không khí Nhưng chưa được áp dụng trong thực tế vì quá 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 Laser

- 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

- 1966: CHARLES H KAO và GEORCE A HOCKHAM, hai kĩ sư phòng thí nghiệm Stanrdard Telecommunications của Anh , đề xuất dùng sợi thuỷ tinh dẫn ánh sáng Nhưng do công nghệ chế tạo sợi quang thời đó còn hạn chếnên suy hao quá lớn (ỏ khoảng 1000dB/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

I) KHÁI NIỆM, CẤU TẠO, PHÂN LOẠI CỦA CÁP SỢI QUANG

1).Khái niệm

• Sợi quang là những dây nhỏ và dẻo truyền các ánh sáng nhìn thấy được

và các tia hồng ngoại Chúng có lõi ở giữa và có phần bao bọc xungquanh lõi Để ánh sáng có thể phản xạ một cách hoàn toàn trong lõi thìchiết suất của lõi lớn hơn chiết suất của áo một chút

• Lõi và áo được làm bằng thuỷ tinh hay chất dẻo (Silica), chất dẻo, kimloại, fluor, sợi quang kết tinh).Vỏ bọc ở phía ngoài áo bảo vệ sợi quangkhỏi bị ẩm và ăn mòn, đồng thời chống xuyên âm với các sợi đi bêncạnh và làm cho sợi quang dễ xử lý Để bọc ngoài ta dùng các nguyênliệu mềm và độ tổn thất năng lượng quang lớn

Hình 1: Cáp sợi quang

• Bên trong sợi quang:

- Nguyên lý cơ bản trong sợi quang là hiện tượng vật lí gọi là phản xạ lại ánh sáng toàn phần Trong quy định để có phản xạ ánh sáng toàn phần là ánh sáng xuất phát có góc triết quang trung bình ( khúc xạ ) - bằng hoặc lớn hơn góc giới hạn ( gọi là góc Brewster )

2) Cấu tạo của cáp sợi quang

 Lõi - Core : lõi được làm bằng những sợi nhỏ mỏng thuỷ tinh hoặc nhựa , micra, ở đó ánh sáng được truyền qua đường kính của lõi càng lớn thì càng có nhiều ánh sáng được truyền dẫn

 Lớp sơn phủ - Clading : lớp này ngay sát lõi có chỉ số khúc xạ thấp hơnchỉ số khúc xạ của lõi

 Đệm nhựa : lớp này để bảo vệ sợi quang từ những tác động va đập và

độ cong quá mức

 Vỏ ngoài : vỏ ngoài phủ lên sợi quang

Hình 2: Cấu tạo bên trong của cáp sợi quang

3) Phân loại của cáp sợi quang

Phân loại theo vật liệu điện môi Sợi quang thạch anh

Sợi quang thủy tinh đa vật liệuSợi quang bằng nhựa

Phân loại theo mode truyền lan Sợi quang đơn mode

Sợi quang đa modePhân loại theo phân bố chiết suất

khúc xạ

Sợi quang chiết suất bậcSợi quang chiết suât biến đổi đều

a) Phân loại theo vật liệu điện môi:

Khi phân loại theo vật liệu điện môi thì tổng số có 3 loại:

- Các sợi quang thạch anh không những chỉ chứa thạch anh nguyên chất (SiO2) mà còn có các tạp chất thêm vào như: Ge, B và P… để làm thayđổi chiết suất khúc xạ

- Sợi quang đa vật liệu có thành phần chủ yếu soda lime, thủy tinh hoặc thủy tinh boro-silicat…

- Sợi quang nhựa thường được sản xuất bằng PMMA ( Polymethyl metharcylate)/

b) Phân loại theo mode lan truyền:

Theo mode lan truyền sợi quang được chia làm hai nhóm:

- Sợi quang đơn mode (Single mode): loại này chỉ cho một mode lan truyền

- Sợi quang đa mode (Multimode): cho phép nhiều mode lan truyền

Multimode (đa mode ) gồm 2 loại chính:

 Multimode graded index (chiết xuất liên tục):

- Multimode graded index (chiết xuất liên tục): Lõi có chỉ số khúc xạ

giảm dần từ trong ra ngoài cladding Các tia gần trục truyền chậm hơncác tia gần cladding Các tia theo đường cong thay vì zig-zag Cácchùm tia tại điểm hội tụ, vì vậy xung ít bị méo dạng

- Graded index: thường dùng trong các mạng LAN

 Multimode stepped index (chiết xuất bước):

- Multimode stepped index (chiết xuất bước): Lõi lớn (100 micron), cáctia tạo xung ánh sáng có thể đi theo nhiều đường khác nhau trong lõi:thẳng, zig-zag… tại điểm đến sẽ nhận các chùm tia riêng lẻ, vì vậyxung dễ bị méo dạng

- Step index: dùng cho khoảng cách ngắn, phổ biến trong các đèn soitrong

Single mode (đơn mode)

 Lõi nhỏ (8 mocron hay nhỏ hơn), hệ số thay đổi khúc xạ thay đổi từlõi ra cladding ít hơn multimode

 Các tia truyền theo phương song song trục

 Xung nhận được hội tụ tốt, ít méo dạng

Hình 3 : Sợi đơn mode

Hình 4:Sợi vỏ thủy tinh pha tạp chất FLOc) Phân loại theo phân bố chỉ số khúc xạ:

Loại cáp quang phân loại theo phân bố chỉ số khúc xạ bao gồm:

Sợi quang đa model chiết suất phân bậc:

Khi ánh sáng đi vào lõi của cáp quang theo một góc nào đó sẽ lan truyền trong lõi theo phương thức phản xạ toàn phần Khi cáp quang bị uốn cong đột ngột thì góc giữa đường quang và mặt phẳng biên có thế lớn hơn góctới hạn do vậy tổn hao sang mặt khác sẽ tăng lên Trong kiểu sợi quang đa phương thức ánh sáng đi thằng và ánh sáng phản xạ toàn phần với góc lớn sẽ

có các góc khác nhau Tỷ lệ với sự chênh lệch này có sự chênh lệch về thời điểm đến của đầu cuối làm cho việc truyền thông tin đến các địa điểm xa vài chục MHz-Km

Sợi quang đa-model chiết suất biến đổi:

Sợi quang đa model chỉ số lớp: Được thiết kế để giảm độ sai lệch về thời gian như đã đề cập ở trên Loại quang này có hệ số khúc xạ lớn nhất tại lõi của nó

và có độ khúc xạ nhỏ hơn về phía sợi quang Điều này có nghĩa là sự phân bố

hệ số cong theo chiều dài sẽ tăng lên khi hệ số khúc xạ giảm đi và do vậy ánh sáng sẽ đến đầu cuối ra gần đúng như thể ánh sáng đã lan truyền theo một đường thẳng Vì vậy nó có thể giữ nhiều thông tin (GHz-Km) gấp hàng trăm ngàn lần so với sợi quang chỉ số bước Đường kính của lõi sợi quang chỉ số lớp này 50μm và đường kính của lớp sợi quang là 125μm.m và đường kính của lớp sợi quang là 125μm và đường kính của lớp sợi quang là 125μm.m

Sợi quang đơn model ( nằm trong nhóm sợi quang chiết suất phân bậc):

Đường kính và lõi của sợi quang đơn model nhỏ hơn nhiều so với sợi quang

đa model Khi đường kính và lõi của sợi quang giảm xuống và độ sai lệch về

hệ số khúc xạ giữa lõi và lớp sợi quang giảm đi Trong trường hợp này không

có sự khác biệt nào về thời gian do sự khác biệt giữa góc lan truyền gây ra vì vậy nó có dải thông truyền dẫn lớn (100GHz-Km hoặc hơn nữa)

II) ĐẶC ĐIỂM, ƯU ĐIỂM, NHƯỢC ĐIỂM, ỨNG DỤNG CÁP SỢIQUANG

 Cài đặt đòi hỏi phải có chuyên môn nhất định

 Cáp quang và các thiết bị đi kèm rất đắt tiền so với các loại cáp đồng2) Ưu điểm

 Tính bảo mật cao do không thể bị trích để lấy trộm thông tin bằng các phương tiện điện thông thường

 Độ tin cậy cao do cáp quang được thiết kế thích hợp có thể chịu đựng được những điều kiện về nhiệt độ và độ ẩm khắc nghiệt và thậm chí có thể hoạt động ở dưới nước

 Tính linh hoạt do các hệ thống thông tin quang đều khả dụng cho hầu

hết các dạng thông tin số liệu, thoại và video Các hệ thống này đều có thể tương thích với các chuẩn RS.232, RS422, V.35, Ethernet, Arcnet, FDDI, T1, T2, T3, Sonet, thoại 2/4 dây, tín hiệu E/M, video tổng hợp

và còn nhiều nữa

 Dễ dàng nâng cấp khi chỉ cần thay thế thiết bị thu phát quang còn hệ thống cáp sợi quang vẫn có thể được dữ nguyên

3) Nhược điểm

 Khó khăn trong việc ghép nối

 Không sử dụng trong vùng bị chiếu xạ

 Chi phí hàn nối và thiết bị đầu cuối cao hơn so với cáp đồng

4) Ứng dụng của cáp sợi quang

 Thông tin quang giữ vai trò chính trong việc truyền dẫn tín hiệu ở các tuyến trong nước.các tuyến xuyên lục địa ,xuyên đại tây

dương.Công nghệ ngày nay đã tạo ra thông tin quang phát triển và thay đổi theo su hướng hiện đại và kinh tế nhất

 Đặc biệt công nghệ sợi quang mode có suy hao nhỏ đã làm đơn giản việc tăng chiều dài của tuyến thông tin quang, kết hợp với côngnghệ khuếch đại quang ra đời sẽ làm tăng chiều dài gấp đôi hoặc gấp n lần.chất lượng của tín hiệu thu được trên hệ thống này sẽ đượccải thiện một cách đáng kể

 Sử dụng cho truyền tải tín hiệu trong khoảng cách ngắn, bao gồm:

 Step index: dùng cho khoảng cách ngắn, phổ biến trong các đèn soi trong

 Graded index: thường dùng trong các mạng LAN

 Dùng cho khoảng cách xa hàng nghìn km, phổ biến trong các mạng điện thoại, mạng truyền hình cáp

II) CÁC VẤN ĐỀ SUY HAO

1) Khái niệm:

-Suy hao (Attenuation): mức suy giảm công suất quang trong suốt quá trình

truyền dẫn trên một khoảng cách xác định

-Ký hiệu dB/km

• Các loại suy hao thường gặp:

- Suy hao tín hiệu do điện tử hấp thụ

- Suy hao do tán xạ rayleigh

- Suy hao tín hiệu do vật liệu hấp thụ

- Suy hao do uốn cong sợi

- Suy hao lớp vỏ và lõi2) Suy hao trên cáp sợi quang

- Suy hao trong sợi quang đóng một vai trò rất quan trọng trong việc thiết

kế hệ thống, là tham số xác định khoảng cách giữa phía phát và phía thu Trênmột tuyến thông tin quang, các suy hao ghép nối giữa nguồn phát quang vớisợi quang, giữa sợi quang và đầu thu quang, giữa sợi quang và các thiết bịkhác trên tuyến như khuếch đại quang hay thiết bị xen rẽ kênh…, cũng có thểcoi là suy hao trên tuyến truyền dẫn Bên cạnh đó, quá trình sợi bị uốn congquá giới hạn cho phép cũng tạo ra suy sao Các suy hao này là suy hao ngoàibản chất của sợi, do đó co thể làm giảm chúng với nhiều biện pháp khác nhau.Vấn đề ta xét ở đây là suy hao bản chất bên trong của sợi Trong quá trínhtruyền tín hiệu ánh sáng, bản thân sợi dẫn quang cũng có suy hao và làm chocường độ tín hiệu bị yếu đi khi truyền qua một cự ly truyền ánh sáng nào đó

Cơ chế suy hao cơ bản trong sợi dẫn quang là suy hao do hấp thu, suy hao dotán xạ và các suy hao do bức xạ năng lượng ánh sáng Trong các suy hao trên,suy hao do hấp thụ có liên quang tới vật liệu sợ trong đó bao gồm hấp thụ dotạp chât, hấp thụ vật liệu và hấp thụ điện, còn suy hao do tán xạ có liên quantới cả vật liệu sợi và tính không hoàn hảo về cấu trúc của sợi Còn suy haobức xạ là do tính xáo trộn về hình học của sợi gây ra

Suy hao sợi (hay còn gọi là suy hao tín hiệu) thường được đặt trưng bằng hệ

số suy hao và được xác định bằng tỷ số giữa công suất quang đầu ra Pout củasợi dẫn quang dài L với công suất quang đầu vào Pin Tỷ số công suất này làmột hàm chức năng của bước sóng, nếu gọi α là hệ số suy hao thì:

nhỏ, giá trị trung bình của suy hao sợi cho phép cự ly truyền dẫn vài chục km

ở tốc độ khá cao Suy hao của bản thân sợi chủ yếu phụ thuộc vào sự hấp thụvật liệu và tán xạ Rayleigh

3) Các nguyên nhân gây ra suy hao

a) Suy hao do hấp thụ :

- Nhân tố hấp thụ nổi trội trong sợi quang là sự có mặt của tạp chấp có trongvật liệu sợi Trong thủy tinh thông thường, các tạp chất như nước và các ionkim loại chuyển tiếp đã làm tăng đặc tính suy hao, đó là các ion kim loại sắt,crom, coban, đồng và ion OH (nước) Sự có mặt của tạp chất này làm cho suyhao đạt tới giá trị rất lớn, nếu sợi mà làm bằng thủy tinh như các lăng kínhthông thường thì suy hao lên tới vài nghìn dB/km Các sợi quang trước đâyvới lượng tạp chất từ 1 đến 10 phần tỷ (ppb) có suy hao trong khoảng 1 đến

10 dB/km Sự có mặt của các phân tử nước đã làm cho suy hao trội hẳn lên.Liên kết OH đã hấp thụ ánh sáng ở bước sóng khoảng 2.7 m và cùng tácđộng qua lại của cộng hưởng Silic, nó tạo ra các đỉnh hấp thụ ở 1400, 950 và

750 nm Giữa các đỉnh này có các vùng suy hao thấp, đó là các cửa sổ truyềndẫn 850 nm, 1300 nm và 1550 nm mà các hệ thống thông tin đã sử dụng đểtruyền tín hiệu ánh sáng Để giảm suy hao xuống thấp hơn 20 dB/km, sự cómặt của nước phải ít hơn vài phần tỷ Giá trị này có thể đạt được nhờ chế tạosợi bằng phương pháp MCVD Các phương pháp chế tạo sợi khác cho phéplàm giảm thấp hơn nữa hàm lượng nước là VAD, VPAD cho phép tạo ra sợi

có sự tập trung ion dưới 0,8 ppb Với mức tạp chất này, đường cong suy hao

sẽ trơn lên và không còn tồn tại các đỉnh và khe suy hao nữa, kết quả này tạo

ra suy hao sợi nhỏ hơn 0.2 dB/km tại bước sóng 1550 nm

b) Suy hao do hấp thụ vật liệu:

- Có thể thấy rằng hoạt động ở bước sóng dài hơn sẽ cho suy hao nhỏ hơn,

quan điểm này là hoàn toàn chính xác Nhưng các liên kết nguyên tử lại cóliên quan tới vật liệu và sẽ hấp thụ ánh sáng có bước sóng dai, trường hợp nàygọi là hấp thụ vật liệu Mặc dù các bước sóng cơ bản của các liên kết hấp thụnằm bên ngoài vùng bước sóng sử dụng nhưng đuôi hấp thụ của nó vẫn cóảnh hưởng, và ở đây nó kéo cho tới vùng bước sóng 1550 nm làm cho vùngbước sóng này không giảm suy hao một cách đáng kể

c) Hấp thu cực tím(điện tử):

Trong vùng cực tím, ánh sáng bị hấp thụ là do các photon kích thích cácđiện tử trong nguyên tử lên một trạng thái năng lượng cóa hơn (mặc dù đây làmột dạng của hấp thu vật liệu, nhưng tác động tương tác xảy ra trong phạm

vi nguyên tử, quan điểm này chính xác hơn là trong phạm vi phân tử) Lúcnày bờ cực tím của các dải hấp thụ điện tử của cả hai vật liệu khong kết tinh

và kết tinh sẽ có quan hệ như sau:

Αuv = Ce E/E

0

Gọi là luật UrBach, trong đó C và E0 là các hằng số rút ra từ kinh nghiệm

và E là năng lượng photon Vì E tỷ lệ nghịch với bước sóng , cho nên đặctính hấp thụ cực tím đi xuống theo bậc hàm mũ so với chiều tăng của bướcsóng Suy hao cực tím là nhỏ hơn so với suy hao do tán xạ trong vùng gầnhồng ngoại Đối với dioxit Silic, đỉnh hấp thụ của nó vào khoảng 0.14 m,tuy nhiên đuôi của nó kéo dài tới khoảng 1 m, vì vậy cũng gây ra lượng suyhao nhỏ ở cửa sổ truyền dẫn

d) Suy hao do tán xạ rayleigh:

- Suy hao do tán xạ trong sợi quang là do tính không đồng đều rất nhỏ tronglõi sợi gây ra Đó là do có những thay đổi rất nhỏ của vật liệu, tính khôngđồng đều về cấu trúc hoặc các khiếm khuyết trong quá trình chế tạo sợi Nhưvậy trong cấu trúc lõi sợi sẽ bao gồm cả mật độ phân tử cao hơn và mật độphân tử thấp hơn mật độ trung bình Ngoài ra, do thủy tinh được tạo ra từ vàiloại oxit như SiO2, GeO2 và P2O5 cho nên sự thay đổi thành phần có thể xảy

ra Hai yếu tố này làm nảy sinh sự thay đổi chiết suất, chúng tạo ra tán xạ ánhsáng gọi là tán Reyleigh Tán xạ Reyleigh chỉ có ý nghĩa khi bước sóng củaánh sáng cùng cấp với kích thước của cơ cấu tán xạ Trong thực tế, suy haonày làm giảm đi một phần tư công suất của bước sóng, và vì thế hệ thống làmviệc ở bước sóng dài sẽ được quan tâm ngày một nhiều

Việc diễn giải suy hao do tán xạ gây ra khá phức tạp do bản chất ngẫunhiên của phân tử và các thành phần oxit khác nhau của thủy tinh Đối vớithủy tinh thuần khiết, suy hao do tán xạ tại bước sóng  do sự bất ổn định vềmật độ gây ra có thể được diễn giải như sau:

T f B

n là chỉ số chiết suất,

kB là hằng số Boltzman,

T

 là hệ số nén đẳng nhiệt của vật liệu

Tf là nhiệt độ mà tại đó tính bất ổn định về mật độ bị đông lại

thành thủy tinh

P là hệ số quang đàn hồi