thông tin quang đồ án suy hao trong sợi quang

Trường CĐ CNTT Hữu nghị Việt-Hàn Đồ án thông tin quang MỤC LỤC Đồ án môn học Trang 1 Trường CĐ CNTT Hữu nghị Việt-Hàn Đồ án thông tin quang CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Nội dung Kết thúc học phần thông tin quang của nghành tin học viễn thông và hiểu thêm về sợi quang, suy hao, tán sắc , biết thêm ở bước sóng nào là suy hao bé nhất và thực tế hiện nay đang dùng loại bước sóng nào cho công nghệ hiện đại. 1.2 Lí do chọn ý tưởng thiết kế . Cáp quang đã trở thành phương tiện truyền dẫn hết sức hiệu quả trong các mạng thuê bao do các ưu điểm của nó hơn hẳn các phương tiện truyền dẫn khác. Cáp quang ngày càng được nhiều nước sử dụng làm phương tiện truyền dẫn thông của mình bởi vì nó có chất lượng truyền dẫn tốt hơn sơ với các hệ thống truyền dẫn khác – nó còn là phương tiện truyền dẫn an toàn nhất trong mọi điều kiện. Nó đóng vai trò đa năng truyền dẫn mọi dịch vụ viễn thông có chất lượng cao đồng bộ và hiện đại như: Truyền số liệu, hội nghị truyền hình, truy nhập dữ liệu từ xa, truyền dẫn các thông tin đa phương tiện… Cùng với những ưu điểm như: Độ suy hao thấp, độ rộng băng tần cao, đường kính sợi nhỏ, trọng lượng nhẹ, đặc tính cách điện cao, tiết kiệm tài nguyên… Vì những lý do trên nên em xin được báo cáo đề tài “Suy hao và tán sắc” để hiểu hơn được các mặt ưu và nhược điểm của cáp quang. 1.3 Ý nghĩa thực tiễn. Ngày nay, Internet đã trở thành một nhu cầu thiết yếu, giúp mọi người ở khắp nơi trên thế giới có thể giao tiếp, trao đổi, học tập, mua sắm, giải trí dễ dàng, nhanh chóng.Các ứng dụng, dịch vụ trên Internet cũng ngày càng phát triển theo, điều này đòi hỏi tốc độ, băng thông kết nối Internet cao và cáp quang trở thành lựa chọn số một - FTTH (Fiber To Home) là một điển hình. FTTH đáp ứng các dịch vụ luôn đòi hỏi mạng kết nối tốc độ cao như IPTV, hội nghị truyền hình, video trực tuyến, giám sát từ xa IP Camera Đồ án môn học Trang 2 Trường CĐ CNTT Hữu nghị Việt-Hàn Đồ án thông tin quang CHƯƠNG 2: CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY NÊN SUY HAO 2.1 Khái niệm: Suy hao (Attenuation): mức suy giảm công suất quang trong suốt quá trình truyền dẫn trên một khoảng cách xác định. 2.2 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 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 có 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 trình 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 thụ 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 ra P out của sợi dẫn quang dài L với công suất quang đầu vào P in . Tỷ số công suất này là một hàm chức năng của bước sóng, nếu gọi α là hệ số suy hao thì:       = Pout Pin L log 10 α Đơn vị của α được tính theo decibel trên km (dB/km). Các sợi dẫn quang thường có suy hao nhỏ, khi độ dài quá ngắn thì gần như không có suy hao và lúc đó P out = P in và tương ứng α = 0 dB/km. Trong thực tế, suy hao của sợi rất 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 thụ vật liệu và tán xạ Rayleigh. Đồ án môn học Trang 3 Trường CĐ CNTT Hữu nghị Việt-Hàn Đồ án thông tin quang 2.3 Các nguyên nhân gây ra suy hao: Hình 2.1 Các nguyên nhân gây ra suy hao trên sợi quang. 2.3.1 Suy hao tín hiệu của sợi quang: Suy hao = Suy hao uốn cong + Hấp thụ + Suy hao tán xạ Hệ số suy hao: P(0): Công suất quang tại khoảng cách L=0 P(L): Công suất quang tại khoảng cách L Công suất quang ở khoảng cách L: La P ePLP − = )0()( Hệ số suy hao theo đơn vị 1/km       = )( )0( ln 1 ) 1 ( . LP P L km a P 2.3.2 Suy hao do uốn cong sợi Suy hao do uốn cong sợi là do ngoài bản chất của sợi. Khi bất kỳ một sợi dẫn quang nào đó bị uốn cong có bán kính xác định thì sẽ có hiện tượng phát xạ ánh sáng ra ngoài vỏ sợi và như vậy ánh sáng lan truyền trong lõi sợi đã suy hao. Có 2 loại uốn cong sợi: - Uốn cong vĩ mô: là uốn cong có bán kính uống cong lớn tương đương hoặc lớn hơn đường kính sợi. - Uốn cong vi mô: là uốn cong nhỏ một cách ngẫu nhiên và thường xảy ra trong lúc sợi được bọc thành cáp. Đồ án môn học Trang 4 Trường CĐ CNTT Hữu nghị Việt-Hàn Đồ án thông tin quang Suy hao do uốn cong tùy thuộc vào bán kính uốn cong và số lượng vòng quấn của cáp với một bán kính uốn cong xác định. Ngoài ra suy hao uốn cong tăng theo độ dài bước sóng. Hình 2.2 Suy hao do uốn cong sợi 2.3.3. Suy hao do hấp thụ Hấp thụ do lõi nguyên tử trong cấu tạo thủy tinh(sự không hoàn hảo của cấu trúc nguyên tử của vật liệu sợi: Thiếu hụt phân tử, cụm nhóm nguyên tử mật độ cao…) Hấp thụ bên ngoài do những nguyên tử không sạch trong vật liệu thủy tinh (ion chuyển tiếp kim loại như đồng , sắt, hay ion OH) Ion kim loại mật độ một đến vài phần tỉ gây ra suy hao khoảng 1-10 dB/km Mật độ ion OH phải nhỏ hơn vài phần tỉ để có được suy hao nhỏ hơn 20 dB/km Hấp thụ bên trong do cấu tạo nguyên tử cơ bản của vật liệu sợi. Bắt nguồn từ: Dải hấp thụ điện tử trong vùng cực tím: Hấp thụ cực tím giảm theo hàm mũ khi bước sóng tăng . Dải dao động nguyên tử trong vùng gần hồng ngoại Biểu đồ 2.1 Hấp thụ do tạp chất Suy hao do sự hấp thụ của i-on –OH: độ ẩm là nguồn hấp thu đáng kể năng lượng ánh sáng. Cũng như sự hấp thụ của kim loại, tùy theo bước sóng mà độ hấp thụ của i-on –OH khác nhau và đặc biệt lớn ở bước sóng dành cho SingleMode. Bởi thế trong quá trình chế tạo người ta cố gắng loại bỏ i-on –OH, giữ nồng dộ của nó dưới Đồ án môn học Trang 5 Trường CĐ CNTT Hữu nghị Việt-Hàn Đồ án thông tin quang 10^-9. Hiện nay người ta đã sản xuất được các sợi quang loại bỏ hoàn toàn i-on này. 2.3.4 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 có liên quan tới vật liệu và sẽ hấp thụ ánh sáng có bước sóng dài, trường hợp này gọi là hấp thụ vật liệu. Mặc dù các bước sóng cơ bản của các liên kết hấp thụ nằm bên ngoài vùng bước sóng sử dụng. Nhưng đuôi hấp thụ của nó vẫn có ảnh hưởng, và ở đây nó kéo cho tới vùng bước sóng 1550 nm làm cho vùng bước sóng này không giảm suy hao một cách đáng kể. 2.3.5 Hấp thu cực tím (điện tử) Trong vùng cực tím, ánh sáng bị hấp thụ là do các photon kích thích các điện tử trong nguyên tử lên một trạng thái năng lượng cao hơn (mặc dù đây là một 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). Suy hao cực tím là nhỏ hơn so với suy hao do tán xạ trong vùng gần hồng ngoại. Đối với dioxit Silic, đỉnh hấp thụ của nó vào khoảng 0.14 µ m, tuy nhiên đuôi của nó kéo dài tới khoảng 1 µ m, vì vậy cũng gây ra lượng suy hao nhỏ ở cửa sổ truyền dẫn. 2.3.6.Suy hao do tán xạ Rayleigh Hình 2.3 Suy hao do tán xạ Rayleigh Suy hao do tán xạ trong sợi quang là do tính không đồng đều rất nhỏ trong lõi sợi gây ra. Đó là do có những thay đổi rất nhỏ của vật liệu, tính không đồng đều về cấu trúc hoặc các khuyết điểm trong quá trình chế tạo sợi. Như vậy trong cấu trúc lõi sợi sẽ Đồ án môn học Trang 6 Trường CĐ CNTT Hữu nghị Việt-Hàn Đồ án thông tin quang bao gồm cả mật độ phần tử cao hơn và mật độ phân tử thấp hơn mật độ trung bình. Ngoài ra, do thủy tinh được tạo ra từ vài loại oxit như SiO 2 , GeO 2 và P 2 O 5 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 ánh sáng gọi là tán Reyleigh. Tán xạ Reyleigh chỉ có ý nghĩa khi bước sóng của ánh sáng cùng cấp với kích thước của cơ cấu tán xạ. Trong thực tế, suy hao này làm giảm đi một phần tử công suất của bước sóng, và vì thế hệ thống làm việc 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 ngẫu nhiên của phân tử và các thành phần oxit khác nhau của thủy tinh. Biểu đồ 2.2 Suy hao do tán xạ reyleigh. Xuất hiện do ảnh hưởng của những chỗ không đồng nhất còn xót lại trong giai đoạn làm nguội sợi hay những chỗ hàn nối sợi quang không chuẩn. Kích thước của các chỗ không đồng nhất còn nhỏ hơn bước sóng ánh sáng. Vùng hồng ngoại nhiều nên khi bước sóng tăng thì tiêu hao này giảm nhỏ rất nhanh, tỷ lệ nghịch với số mũ 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. Hệ số suy hao: Trong đó: - Hằng số C nằm trong phạm vi 0,7-0,9 (dB/km)-µm - α R = 0.12 - 0,16 dB/km tại 1,55 µm Tán xạ do mặt phân cách giữa lõi và lớp vỏ bọc không hoàn hảo: Khi tia sáng truyền đến những chỗ không hoàn hảo giữa lõi và lớp bọc tia sáng sẽ bị tán xạ. Lúc đó một tia tới sẽ có nhiều tia phản xạ 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. 2.3.7. Suy hao do hàn nối sợi Đồ án môn học Trang 7 α(dB/Km) 600 1200 1400 1600 800 1000 1 0 4 3 2 λ(nm) ) Trường CĐ CNTT Hữu nghị Việt-Hàn Đồ án thông tin quang Các bộ nối để nối hai đầu của sợi quang với nhau trên các cổng cuối của thiết bị. Đặc tính quan trọng của bộ nối là phải gắn với lõi với mức độ chính xác cao, cụ thể làm tâm của hai lõi không được lệch nhau quá phạm 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 khác 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 xạ Frenel. 2.3.8. 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 trường hidrogen và chiếu xạ gamma. 2.3.9. Đặc tính suy hao trong cáp sợi quang Tổng hợp các loại suy hao trong sợi và biểu diễn một tương quan theo bước sóng người ta nhận được phổ của sợi. Mỗi loại sợi có đặc tính suy hao riêng. Nhìn vào hình 4 ta thấy có ba vùng bước sóng suy hao thấp nhất, còn gọi là ba cửa sổ suy hao. Hình 2.4 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. Suy hao tương đối thấp khoảng từ (0,4÷0,5) dB/Km, ở bước sóng này độ tán sắc rất thấp nên được dùng rộng rãi hiện nay. Đồ án môn học Trang 8 Trường CĐ CNTT Hữu nghị Việt-Hàn Đồ án thông tin quang Cửa sổ thứ ba : Ở bước sóng 1550nm. Suy hao thấp nhất cho đến nay khoảng 0,2 dB/Km, với sợi quang bình thường độ tán sắc ở bước sóng 1550nm lớn so với bước sóng 1300nm. Nhưng với loại sợi có dạng phân bố chiết suất đặc biệt có thể giảm độ tán sắc ở bước sóng 1550nm. Lúc đó sử dụng cửa sổ thứ ba sẽ có lợi : Suy hao thấp và tán sắc nhỏ. Bước sóng 1550nm sẽ được sử dụng rộng rãi trong tương lai. Hình 2.5 Đặc tuyến suy hao 2.4 Các vấn đề về tán sắc trong cáp sợi quang 2.4.1 Định nghĩa về hiện tượng tán sắc: Tán sắc là hiện tượng một xung ánh sáng bị giãn rộng ra về mặt thời gian sau quãng đường truyền nhất định trong sợi quang. Hình 2.6 Tán sắc làm độ rộng xung ngõ ra tăng. Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang, ký hiệu d, đơn vị (s) được xác định bởi công thức: 22 0 i D ττ −= Trong đó: - i τ , 0 τ 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. Đồ án môn học Trang 9 Trường CĐ CNTT Hữu nghị Việt-Hàn Đồ án thông tin quang - Đối các loại tán sắc do chất liệu người ta đánh giá độ tán sắc trên mỗi km sợi ứng với mỗi nm của bề mặt phổ của nguồn quang lúc đó đơn vị được tính là ps/nm.km. 2.4.2 Các loại tán sắc : 2.4.2.1 Tán sắc mode Hình 2.7 Tán sắc mode. Tán sắc mode tạo ra do năng lượng của ánh sáng bị phân tán thành nhiều mode. Mỗi mode lại truyền với vận tốc khác nhau nên thời gian truyền của chúng khác nhau. Tán sắc modee phụ thuộc vào kích thước sợi, đặt biệt là đường kính của lõi sợi. Hiện tượng này chỉ xuất hiện ở sợi đa mode. 2.4.2.2 Tán sắc trong sợi đơn mode: Tán sắc mode là nguyên nhân gây ra sự hạn chế tốc độ bít trong hệ thống thông tin quang sử dụng sợi đa mode. Để khắc phục được tán sắc mode, người ta đã chế tạo ra sợi quang chỉ truyền một mode sóng gọi là sợi đơn mode. Sợi đơn mode khắc phục được hoàn toàn tán sắc mode, nên tốc độ truyền dẫn được cải thiện đáng kể tăng được cự li thông tin. 2.4.2.3 Tán sắc màu. a) Tán sắc vật liệu: Do sự chênh lệch các vận tốc nhóm của các thành phần phổ khác nhau trong sợi.Độ trải rộng do tán sắc vật liệu có thể thu bằng cách khảo sát thời gian trễ nhóm trong sợi quang. Nguyên nhân: Chiết suất thuỷ tinh thay đổi theo bước sóng nên vận tốc truyền sóng của ánh sáng có bước sóng khác nhau cũng khác nhau. Tốc độ lan truyền của các thành phần phổ là khác nhau (do chiết suất là hàm của bước sóng) Các thành phần phổ có thời gian truyền lệch nhau gây ra tán sắc vật liệu Về mặt vật lý, tán sắc vật liệu cho biết mức độ nới rộng xung của mỗi nm bề rộng phổ nguồn quang qua mỗi km sợi quang, đơn vị của độ tán sắc do chất liệu M là ps/nm.Km. Đồ án môn học Trang 10 λ τ d d D = [...]... lượng ánh sáng trong sợi quang phụ thuộc vào bước sóng - Ánh sáng truyền trong sợi quang không đơn sắc mà có độ rộng phổ xác định - Do hằng số lan truyền lan là hàm của a/λ nên vận tốc nhóm của các thành phần phổ là khác nhau ⇒ Các thành phần phổ có thời gian truyền lệch nhau gây ra tán sắc ống dẫn sóng 2.4.2.3 Tán sắc mode phân cực: Tán sắc mode phân cực (PMD) là một thuộc tính cơ bản của sợi quang. .. Hữu nghị Việt-Hàn Đồ án thông tin quang Hình 2.8 Chỉ số chiết suất n và chỉ số nhóm ng thay đổi ở sợi thuỷ tinh Ở bước sóng 850nm độ tán sắc vật liệu khoảng (90÷120) ps/nm.Km, ở bước sóng 1300nm độ tán sắc vật liệu bằng tán sắc ống dẫn sóng nhưng ngược dấu lên tán sắc sắc thể bằng không Còn ở bước sóng 1550nm độ tán sắc này khoảng 20 ps/nm.Km.s b) Tán sắc ống dẫn sóng: Hình 2.9 Tán sắc ống dẫn sóng... Việt-Hàn Đồ án thông tin quang TỔNG KẾT Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy cô và các bạn Nhân đây em xin gởi một lời cám ơn chân thành tới giảng viên Ths Nguyễn Vũ Anh Quang đã tạo mọi điều kiện và tận tình hướng dẫn, giúp đỡ nhóm em trong quá trình thực hiện đồ án Em xin chân thành cám ơn! Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Vũ Anh Quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Vũ Tài Phạm Hoàng Vĩ Đồ án môn... viên thực hiện: Nguyễn Vũ Tài Phạm Hoàng Vĩ Đồ án môn học Trang 13 Trường CĐ CNTT Hữu nghị Việt-Hàn Đồ án thông tin quang TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 Thông tin sợi quang – TS Nguyễn Văn Tuấn 2 Công nghệ truyền dẫn quang – nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội – 1997 3 Và một số hình ảnh, tài liệu trên mạng Đồ án môn học Trang 14 ... các thành phần hợp thành, trong đó năng lượng bất cứ bước sóng nào cũng truyền theo hai Đồ án môn học Trang 11 Trường CĐ CNTT Hữu nghị Việt-Hàn Đồ án thông tin quang mode phân cực trực giao có vận tốc truyền khác nhau Do sự chênh lệch về vận tốc nên thời gian truyền một khoảng cách là không giống nhau nên được gọi là trễ nhóm vi sai Hình 2.10 Minh họa tán sắc phân cực mode Đồ án môn học Trang 12 Trường . 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. nghị Việt-Hàn Đồ án thông tin quang 2.3 Các nguyên nhân gây ra suy hao: Hình 2.1 Các nguyên nhân gây ra suy hao trên sợi quang. 2.3.1 Suy hao tín hiệu của sợi quang: Suy hao = Suy hao uốn cong. lượng suy hao nhỏ ở cửa sổ truyền dẫn. 2.3.6 .Suy hao do tán xạ Rayleigh Hình 2.3 Suy hao do tán xạ Rayleigh Suy hao do tán xạ trong sợi quang là do tính không đồng đều rất nhỏ trong lõi sợi gây