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

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG CNTT HỮU NGHỊ VIỆT HÀN KHOA: TIN HỌC ỨNG DỤNG ĐỀ 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 MSS V : CCVT020015 Đà Nẵng tháng 03 năm 2011 ĐỀ CƯƠNG: 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI: Cùng với sự phát triển của xã hội và phát triển mạnh mẽ về công nghệ thông tin ngày càng cao. Hiện nay các hệ thống thông tin quang đó chiếm hầu hết các tuyến truyền dẫn quan trọng trong mạng lưới viễn thông quốc tế và được con người xem là phương thức truyền dẫn có hiệu quả nhất trên các tuyến vượt biển và xuyên lục địa. Để tốc độ có hiệu quả cao như vậy thì đòi hỏi phải phát triển mạnh mẽ về quy mô và có một trình độ công nghệ cao nhằm tạo ra cấu trúc mạng hiện đại bao gồm hệ thống thông tin quang và trong trong hệ thống thông tin quang thì không thể thiếu cáp sợi quang. Để hiểu rõ về điều đó nên em chọn đề tài trên nhằm giúp em và các bạn hiểu rõ hơn về cáp sợi quang. 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. 3. BẢNG KẾ HOẠCH THỰC HIỆN Thời gian Công việc Kết quả Đánh giá Tuần 1 Từ 26/3/2011 Đến 1/4/2011 - Sưu tầm tài liệu về cáp sợi quang - Lập kế hoạch thực hiện đề tài. - Hoàn thành đề cương. Tuần 2 Từ 2/4/2011 Đến 8/4/2011 - Nghiên cứu tài liệu. - tìm hiểu về khái niệm, cấu tạo, phân loại cáp sợi quang - Hoàn thành báo cáo giới thiệu tổng quan về cáp sợi quang,hiểu rõ về cấu tạo và phân loại Tuần 3 Từ 9/4/2011 Đến 15/4/2011 - Nghiên cứu tài liệu. - Tìm hiểu về nguyên lý hoạt động,đặc điểm, ưu điểm và nhược điểm. - Hoàn thành báo cáo và hiểu rõ vê đặc điểm và nguyên lý, và ưu điểm và nhược điểm. Tuần 4 Từ 16/4/2011 Đến 22/4/2011 - Nghiên cứu tài liệu -tim hiểu về ứng dụng và sự suy hao của cáp sợi quang - hoàn thành báo cáo về ứng 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 thống điện 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 chế nên 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 xung quanh lõi. Để ánh sáng có thể phản xạ một cách hoàn toàn trong lõi thì chiết 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, kim loại, fluor, sợi quang kết tinh).Vỏ bọc ở phía ngoài áo bảo vệ sợi quang khỏi bị ẩm và ăn mòn, đồng thời chống xuyên âm với các sợi đi bên cạnh và làm cho sợi quang dễ xử lý. Để bọc ngoài ta dùng các nguyên liệu 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 hơn chỉ 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 liệu Sợi quang bằng nhựa Phân loại theo mode truyền lan Sợi quang đơn mode Sợi quang đa mode Phân loại theo phân bố chiết suất khúc xạ Sợi quang chiết suất bậc Sợi 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 (SiO 2 ) mà còn có các tạp chất thêm vào như: Ge, B và P… để làm thay đổi 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 hơn các tia gần cladding. Các tia theo đường cong thay vì zig-zag. Các chùm 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), các tia 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 vậy xung dễ bị méo dạng. - Step index: dùng cho khoảng cách ngắn, phổ biến trong các đèn soi trong . Single mode (đơn mode) • Lõi nhỏ (8 mocron hay nhỏ hơn), hệ số thay đổi khúc xạ thay đổi từ lõi 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 FLO c). 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 góc tới 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. 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 SỢI QUANG 1).Đặc điểm • Phát: Một điốt phát sáng (LED) hoặc laser truyền dữ liệu xung ánh sáng vào cáp quang. • Nhận: sử dụng cảm ứng quang chuyển xung ánh sáng ngược thành data. • Cáp quang chỉ truyền sóng ánh sáng (không truyền tín hiệu điện) nên nhanh, không bị nhiễu và bị nghe trộm. • Độ suy dần thấp hơn các loại cáp đồng nên có thể tải các tín hiệu đi xa hàng ngàn km. • 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 đồng 2). Ưu điểm • Dung lượng lớn. • Kích thước và trọng lượng nhỏ do đó dễ dàng lắp đặt • Không bị nhiễu bởi các tín hiện điện, điện từ hoặc thậm chí cả bức xạ ánh sáng • Tính cách điện do được làm từ thủy tinh, không chứa vật chất dẫn điện nên rất an toàn khi sử dụng trong các môi trường đòi hỏi tính an toàn cao • 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 công nghệ 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 được cải 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 lõi 2) 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 Trên một tuyến thông tin quang, các suy. .. khác nhau Vấn đề ta xét ở đây là suy hao bản chất bên trong của sợi Trong quá trính truyền tín hiệu ánh sáng, bản thân sợi dẫn quang cũng có suy hao và làm cho cường 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 do tán xạ và các suy hao do bức xạ năng lượng ánh sáng Trong các suy hao trên, suy hao do hấp... vi cho phép và khe hở hai đầu của sợi phải thật bé phản xạ nhỏ nên suy hao phải thật bé - Suy hao khi nối hai sợi có lõi khác nhau - Suy hao do nối hai sợi có góc mở khóc nhau - Suy hao do đặt lệch sợi và sợi không đồng tâm - Suy hao gây ra do mặt cắt của hệ số khúc xạ không đối xứng - Suy hao do khoảng cách giữa hai đầu của sợi đặt xa nhau - Suy hao do hai đầu của sợi có góc nghiêng - Suy hao do phản... tuyến suy hao III) CÁC VẤN ĐỀ VỀ TÁN SẮC TRONG CÁP SỢI QUANG 1) Định nghĩa về hiện tượng tán sắc: - Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang, ký hiệu d, đơn vị (s) được xác định bởi công thức: 2 D = τ 0 − τ i2 Trong đó: τ i ,τ 0 là độ rộng của xung vào và xung ra, đơn vị là (s) -Độ tán sắc qua mỗi km được tính bằng đơn vị ns/km hoặc ps/km -Đối các loại tán sắc do chất liệu người ta đánh giá độ tán sắc trên... cuối cùng sinh ra sự suy giảm tín hiệu là méo giữa các mode Đây là hậu quả của sự chênh lệch về trễ nhóm đối với từng mode riêng rẻ tại một tần số đơn thuần g) 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 4) Đặc tính suy hao trong cáp sợi quang - Tổng hợp các loại suy hao trong sợi và biểu diễn một tương... thông tin quang, các suy hao ghép nối giữa nguồn phát quang với sợi quang, giữa sợi quang và đầu thu quang, giữa sợi quang và các thiết bị khác trên tuyến như khuếch đại quang hay thiết bị xen rẽ kênh…, cũng có thể coi là suy hao trên tuyến truyền dẫn Bên cạnh đó, quá trình sợi bị uốn cong quá giới hạn cho phép cũng tạo ra suy sao Các suy hao này là suy hao ngoài bản chất của sợi, do đó co thể làm giảm... 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 thụ vật 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 trong vật liệu sợi Trong thủy tinh thông thường, các tạp chất như nước và các ion kim loại chuyển... với các góc phản xạ khác nhau, những tia có góc phản xạ nhỏ hơn góc tới hạn sẽ khúc xạ ra lớp vỏ bọc và bị suy hao dần e) Suy hao do uốn cong sợi : - Suy hao do uốn cong sợi là suy hao ngoài bản chất (không cố hữu) Khi bất kỳ một sợi dẫn quang nào bị uốn cong theo một đường cong có bán kính xác định thì sẽ có hiện tượng phát xạ tín hiệu ánh sáng ra ngoài vỏ sợi và gây ra suy hao Có 2 loại suy hao. .. của sợi Mỗi loại sợi có đặc tính suy hao riêng - Nhìn vào hình 6 ta thấy có ba vùng bước sóng suy hao thấp nhất, còn gọi là ba cửa sổ suy hao Hình 6 : 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 (23)dB/Km, được dùng cho giai đoạn đầu Cửa sổ thứ hai : Ở bước sóng 1300nm Suy hao tương đối thấp khoảng từ (0,4÷0,5) dB/Km, ở bước sóng này độ tán. .. có liên quang tới vật liệu sợ trong đó bao gồm hấp thụ do tạp chât, hấp thụ vật liệu và hấp thụ điện, còn suy hao do tán xạ có liên quan tới cả vật liệu sợi và tính không hoàn hảo về cấu trúc của sợi Còn suy hao bức 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 . Cơ chế suy hao cơ bản trong sợi dẫn quang là suy hao do hấp thu, suy hao do tán 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. tuyến thông tin quang, các suy hao ghép nối giữa nguồn phát quang với sợi quang, giữa sợi quang và đầu thu quang, giữa sợi quang và các thiết bị khác trên tuyến như khuếch đại quang hay thiết. 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 lõi 2).