đồ án Nghiên cứu cáp sợi quang

Cùng với sự phát triển của hệ thống thông tin hữu tuyến và vô tuyến sửdụng môi trường truyền dẫn là dây dẫn kim loại cổ điển cáp đồng và khônggian.Thì việc sử dụng ánh sáng như một phươ

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện này các hệ thống thông tin quang đó chiếm hầu hết các tuyếntruyền dẫn quan trọng trên mạng lưới viễn thông quốc tế, và được coi làphương thức truyền dẫn có hiệu quả nhất trên các tuyến vượt biển và xuyênlục địa Để đáp ứng nhu cầu truyền tải lớn do sự bùng nổ thông tin, mạngtruyền dẫn đũi hỏi phải cú sự phỏt triển mạnh về cả quy mụ và trỡnh độ côngnghệ nhằm tạo ra các cấu trúc mạng hiện đại bao gồm cả các hệ thống thôngtin quang Các hệ thống thông tin quang trong thời gian tới phải đảm bảo cótốc độ cao, cự ly xa, độ tin cậy cao…

Trong toàn bộ hệ thống thụng tin quang phần không thể thiếu được

chính là Cáp sợi quang Hệ thống thông tin quang có nhiều ưu điểm hơn các

hệ thống khác một phần chính là nhờ môi trường truyền dẫn là cáp sợi quang

Vì vậy, em đã chọn đề tài Cáp sợi quang làm đồ án nghiên cứu giúp

em tìm hiểu sâu hơn

Do thời gian hạn hẹp và kiến thức của bản thân có hạn, chính vì vậy đồ

án của em không thể tránh được những thiếu sót Em mong các thầy cô trong

bộ môn và các bạn trong lớp đánh giá và đóng góp nhiều ý kiến để đề tài sâuhơn và phát triển đồ án ở mức cao hơn nữa

Trong quá trình làm bài, em đó được nhận được sự giúp đỡ tận tình củaThầy giáo và góp ý của các bạn trong lớp Em xin gửi lời cảm ơn đến Thầy vàcác bạn

Chương 1 CƠ SỞ THÔNG TIN QUANG

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

Hệ thống thông tin được hiểu một cách đơn giản là hệ thống để truyềnthông tin từ nơi này đến nơi khác Khoảng cách truyền tin có thể là hàng trăm

Km, hàng trục ngàn Km hoặc xuyên qua các đại dương Thông tin có thểtruyền qua các sóng điện với các dải tần số khác nhau

Hệ thống thông tin quang sợi là hệ thống thông tin bằng sóng ánh sáng

và sử dụng các sợi quang để truyền tin Nó phát triển nhanh và còn tiềm tàngkhả năng rất lớn trong việc hiện đại hoá các mạng lưới viễn thông trên thếgiới

1.1 Lịch sử phát triển

Trong tiến trình lịch sử phát triển của nhân loại việc trao đổi thông tingiữa con người với con người đã trở thành một nhu cầu quan trọng, một yếu tốquyết định góp phần thúc đẩy sự lớn mạnh tiến bộ của mỗi quốc gia, cũng nhưnền văn minh của nhân loại

Cùng với sự phát triển của hệ thống thông tin hữu tuyến và vô tuyến sửdụng môi trường truyền dẫn là dây dẫn kim loại cổ điển (cáp đồng ) và khônggian.Thì việc sử dụng ánh sáng như một phương tiện trao đổi thông tin cũngđược khai thác có hiệu quả Cùng với thời gian thông tin quang đã phát triển

và ngày càng hoàn thiện với những mốc lịch sử như sau:

-1790 : CLAU DE CHAPPE, kĩ sư người Pháp, đã xây dựng một hệthống điện báo gồm một chuỗi các tháp với các đèn báo hiêu trên đó Tin tứcvượt 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

2

-1880 : ALEXANDER GRAHAM BELL, người Mỹ giới thiệu hệthống thông tin Photophone Tiếng nói được truyền đi bằng ánh sáng trongmôi trường không khí Nhưng chưa được áp dụng trong thực tế vì quá nhiềunguồn nhiễu.

- 1934: NORMAN R.FRENCH, người Mỹ, nhận bằng sáng chế hệthống thông tin quang Sử dụng các thanh thuỷ tinh để truyền dẫn

- 1958: ARTHUR SCHAWLOUR và CHARLES H TOUNES, xâydựng 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 đềcòn lại là phải tìm môi trường truyền dẫn quang thích hợp

- 1966: CHARLES H KAO và GEORCE A HOCKHAM, hai kĩ sưphòng thí nghiệm Stanrdard Telecommunications của Anh, đề xuất dùng sợithuỷ tinh dẫn ánh sáng Nhưng do công nghệ chế tạo sợi quang thời đó cònhạn 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

Ngày nay loại sợi đơn mode được sử dụng rộng rãi với độ suy hao chỉcòn khoảng 0,2 [dB/km] ở bước sóng 1550nm

1.2 Cấu trúc một hệ thống thông tin quang đơn giản

Sợi quang

Trạm lặp

E O

O E

Nguôn

tín

hiệu.

Phần tử điện.

Phần tử điện.

O

E

E O

Biến đổi điện-quang

Biến đổi sợi quang

-Trạm lặp : Khi truyền dẫn trên tuyến truyền dẫn, công suất bị giảm

đi, tín hiệ trên đường truyền bị tiêu hao, dạng sóng (độ rộng xung) bị giãn

ra do nhiều nguyên nhân khác nhau Vì vậy, để truyền được đi xa cần cótrạm lặp Hiện nay chưa thực hiện được khuếch đại hay tái sinh trực tiếp tínhiệu quang nên các trạm lặp phải thực hiện 3 bước sau:

+ 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 tínhiệu quang để tiếp tục phát đi

- Tải tin: Trong hệ thống thông tin điện thì tải tin là các sóng điện từcao tần, trong hệ thống quang là ánh sáng cũnh là sóng điện từ song có tần sốrất cao (1014-1015Hz) do vậy tải tin quang rất thuận lợi cho tải các tín hiệubăng rất rộng

- Năng lực truyền dẫn: năng lực truyền dẫn của hệ thống được đánh giáqua hai đại lượng:

+ Độ rộng băng tần có thể truyền dẫn được

+ Cự ly trạm lặp hoặc độ dài chuyển tiếp

Xu thế của các hệ thống truyền dẫn quang là truyền dẫn dải rất rộng và

cự ly trạm lặp rất lớn Thực tế ở các hệ thống quang hiện nay đã vượt qua các

hệ thống điện ở cả 2 yêu cầu trên Các đại lượng trên được xác định bởi nhiềuyếu tố liên quan như:

+ Tiêu hao và tán xạ truyền dẫn của sợi quang

+ 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

1.3 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 hơncáp 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 haynhựa tổng hợp nên nguồn nguyên liệu rất dồi dào rẻ tiền Sợi có đường kínhnhỏ, 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 lắpđặt 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 từtrường bên ngoài (như sóng vô tuyến điện, truyền hình, ảnh hưởng của cápđiện cao thế ) dẫn đến tính bảo mật thông tin cao, không bị nghe trộm Nóđược 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 chứađược 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 trênsợi 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

Chính vì có những ưu điểm trên mà các hệ thống thông tin quang được

sử dụng rộng rãi trên mạng lưới viễn thông của nhiều quốc gia Chúng được

6

xây dựng làm các tuyến đường trục, trung kế, liên tỉnh Tại Việt Nam cápquang đã và đang lắp đặt với tuyến truyền dẫn đường dài liên tỉnh dùng cápngầm.

Tốc độ các hệ thống thông tin quang sẽ là mũi đột phá về , cự ly truyềndẫn và cấu hình linh hoạt cho các dịch vụ viễn thông cấp cao trong mạng lướiviễn thông

Chương 2 SỢI QUANG

2.1 Những ứng dụng của sợi quangCùng với sự phát triển không ngừng về thông tin viễn thông, hệ thốngtruyền dẫn quang – truyền tín hiệu trên sợi quang đã và đang phát triển mạnh

mẽ ở nhiều nước trên thế giới Do có nhiều ưu điểm hơn hẳn các hình thứcthông tin khác về dung lượng kênh truyền, tính kinh tế,…mà thông tin quanggiữ vai trò chính trong việc truyền tín hiệu ở các tuyến xuyên đường trục avfcác tuyến xuyên lục địa, xuyên đại tây dương Công nghệ nagỳ nay đã tạo rathông tin quang phát triển và thay đổi theo xu hướng hiện đại và kinh tế nhất

Đặc biệt công nghệ sợi quang đơn mode có suy hao nhỏ đã làm đơngiản việc tăng chiều dài của toàn 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 được cải thiện một cáchđáng kể

Ở nước ta thông tin sợi quang đang ngày cành chiếm vị trí quan trọng,các tuyến cáp quang được hình thành, đặc biệt là tuyến cáp quang Hà Nội –

Hồ Chí Minh chiếm một vị trí quan trọng trong thông tin toàn quốc

Trong tương lai mạng cáp quang sẽ được xây dựng rộng khắp Tuyếnđường trục cáp quang sẽ được rẽ nhánh tới các tỉnh, huyện, và xây dựng tuyếncáp quang nội hạt

* 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

8

- Đường trung kế

- Đường cáp thả biển liên quốc gia

- Đường truyền số liệu, mạng LAN

- Mạng truyền hình

2.2 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 loạicùng dung lượng và cự ly

2.3 Lý thuyết chung về sợi dẫn quangTrong hệ thống thông tin quang, thông tin được truyền tải bằng ánhsáng Trong phần này, chúng ta sẽ nghiên cứu tới các đặc tính của ánh sáng vìrất cần thiết để hiểu được sự lan truyền của ánh sáng trong sợi quang vànguyên lý của dao động laser Ba vấn đề sau sẽ là cơ sở lý thuyết cho việchình thành hệ thống thông tin quang:

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

Các bức xạ điện từ nói chung có cùng bản chất tự nhiên và có thể xemnhư sóng hoặc hạt (photon) Tính chất sóng hoặc hạt nổi bật trong từng vùng.Đặc trưng cơ bản của các nguồn bức xạ điện từ là dải phổ bức xạ của nó, tức

là một dải tần số của các dao động điện từ hay còn gọi là sóng điện từ đượcsinh ra, hoặc là dải bước sóng tương ứng Hai đại lượng tần số và bước sóng

tỷ lệ với nhau theo công thức:

C(m/s)=λ(m).f(Hz) hoặc E(ev) = h.fTrong đó :

C là vận tốc ánh sáng trong chân không [ C=3.108 m/s ]

H là hằng số Planck [ h=6,25.10-34J/s ]

Ánh sáng dùng trong thông tin quang trong vùng cận hồng ngoại vớibước sóng từ 800nm đến 1600nm Đặc biệt có ba bước sóng thông dụng là850nm, 1300nm và 1550nm

Hình 2.1: Các bước sóng trong thông tin quang

10

Tia tö ngo¹i

Tia R¬nghe n Gamma Tia Tia Vò trô

T ia hång ngo¹i

Hình 2.2 Tần số và bước sóng dùng trong Thông tin quang

Ta biết nếu bước sóng càng nhỏ thì tần số càng lớn mà khi tần số cànglớn thì độ suy hao càng lớn Song qua đặc tuyến suy hao của sợi quang (hình2-7) và đặc biệt ở bước sóng 1550nm thì độ suy hao là dưới 0,2dB/km Như

vậy là vấn đề suy hao được giải quyết nên ở ba bước sóng đó hiện nay đangđược dùng rộng rãi mà đặc biệt là ở bước sóng 1550nm Cùng đó ta đã khaithác thêm được các vùng tần số khác để mở rộng dải tần số đồng thời khaithác được 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 sángtrong chân không và vận tốc ánh sáng trong môi trường ấy

V

C

n = trong đó : n : Chiết suất của môi trường

V : Vận tốc ánh sáng trong môi trường

Mà C ≥ V nên n ≥ 1

Chiết suất của môi trường phụ thuộc vào bước sóng của ánh sángtruyền 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 n 1 sang môi trường thứ hai có chiết suất n 2 (n 1 <n 2 ) như hình vẽ sau:

Hình 2.3 Hiện tượng phản xạ ánh sáng toàn phần

1

2 2

Tia tới (tia 1) hợp với pháp tuyến P của mặt phân cách giữa hai môitrường một góc α, khi sang môi trường thứ hai, tia sáng này bị khúc xạ và hợpvới pháp tuyến P ở một góc β Theo định luật khúc xạ Snelious ta có:

Góc αt được gọi là góc tới hạn, độ lớn của góc tới hạn phụ thuộc vào độchênh lệch chiết suất giữa hai môi trường và khi tia tới với góc α >αt thì tiaphản xạ tại mặt phân cách trở lại môi trường 1

Như vậy, điều kiện để xảy ra hiện tượng toàn phần là:

- Các tia sáng phải đi từ môi trường chiết quang hơn (n1) sang môitrường kém chiết quang hơn (n2) Hay là Chiết suất n1 > n2

- Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn

2.4 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 gồmmột lõi (core) bằng thuỷ tinh có chiết suất n1 và một lớp bọc (cladding) bằngthuỷ tinh có chiết suất n2 với n1 > n2 ánh sáng truyền trong lõi sợi quang sẽphản xạ nhiều lần (phản xạ toàn phần) trên mặt tiếp giáp giữa lõi và lớp vỏbọc

Ta đã biết điều kiện xảy ra hiệ tượng tàn phần là:

+ Chiết suất n1 > n2

+ Góc tới lớn hơn góc tới hạn

Do đặc điểm cấu tạo của sợi quang đã có điều kiện là n1 > n2 Vậy chỉcòn điều kiện là góc tới αt phải lớn hơn góc tới hạn αth (αt >αth) Nên người tađưa ra khái niệm gọi là khẩu độ số NA (Numerical Aperture) nghĩa là khảnăng ghép luồng bức xạ quang vào sợi

Áp dụng công thức : Snelious để tính N:

n0Sinαth=n1.Sinβ (n0=1 : chiết suất của không khí)

⇒ 1.Sinαth=n1.Sinβ=n1Cosα1.(Sinβ=Sin(900-αt)=Cosαt)

∆

=

−

= α

⇒

−

= α

−

= α

2 n n n Sin

NA

n n n

n 1 n Sin

n

n 1 Sin

1 Cos

1

2 1

2 2 th

2 1

2 2 2

1

2 2 1

th

2 1

2 2 t

2 t

1

2 2

2 1

n 2

n

n −

=

Vậy điều kiện để đạt được hiện tượng phản xạ toàn phần ở tronglõi là khi đưa nguồn sáng vào lõi cáp phải nằm trong một hình nón có góc mở

2.4.2 Sự lan truyền các mode trong sợi quang

Theo quan điểm truyền dẫn sóng điện từ muốn biết được bản chất thựccủa các quá trình truyền dẫn ánh sáng, cần phải giải phương trình sóng Mộtmode được hiểu là một trạng thái dao động điện từ ứng với nghiệm củaphương trình sóng và số lượng các mode có quan hệ với các sóng điện từ đơnthoả mãn các phương trình Maxwell và điều kiện bờ từ sợi quang

Các mode của các sóng điện từ có thể chia ra mode với tổn hao thấp.Mode vỏ với tổn hao cao và các mode rò có đặc tính của cả hai loại mode trên

Dĩ nhiên khi đưa ánh sáng vào sợi quang thì phần lớn năng lượng tập trungtrong ruột sợi, còn phần năng lượng rò ra vỏ tạo ra mode vỏ và mode rò bị dậptắt ngay Người ta chú ý đến các mode được truyền dẫn trong ruột sợi và cácmode lan truyền có những đặc tính sau :

- 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 sóngcủa các mode đều phải tuân theo điều kiện λ > λg

Số lượng các mode lan truyền trong sợi quang phụ thuộc vào tỷ số dk/λnên dk lớn hơn λ nhiều thì sợi cho vô số mode truyền qua, còn khi dk rất nhỏthì chỉ có một mode cơ bản được truyền qua (sợi đơn mode) Người ta địnhnghĩa tham số cấu trúc V hay còn gọi là tần số chuẩn hoá:

∆ α

Để nghiên cứu chính xác người ta phải sử dụng các phương trình truyềnsóng Và các mode lan truyền chính là nghiệm của hệ phương trình truyềnsóng Tuy nhiên việc lập và giải phương trình sóng rất phức tạp nên đơn giảnnhất là dùng phương pháp quang hình học xem xét các mode lan truyền trênmặt cắt dọc của sợi.

Hình 2.4: Các mode lan truyền trong sợi đa mode SI(a), GI(b), và

sợi đơn mode(c)

Ánh sáng từ nguồn bức xạ phát ra được đưa vào sợi với nhiều góc khácnhau nên sợi chạy theo nhiều đường dích dắc khác nhau (a) hoặc dạng hìnhsin (b)với chiều dài khác nhau và có một mode chạy song song trục có quãngđường đi ngắn nhất (c) Ánh sáng lan truyền trong lõi phải thoả mãn điều kiệnphản xạ toàn phần có nghĩa là ánh sáng đưa vào sợi phải nằm trong một hìnhnón có nửa góc mở αth

2

2 1 1

k

405 , 2

n d M

= α

= α

Mà như ta biết khẩu độ số NA = Sinαth

Như vậy sợi SI có NA = n − n 2 = n1 2 ∆

2

2 1Giá trị của NA nằm trong giới hạn từ 0,2÷0,37

a

r ( 1 n

Độ mở của sợi GI luôn luôn thay đổi tuỳ giá trị đưa ra ánh sáng vào tạitâm lõi có độ mở là lớn nhất, còn ra đến chỗ mặt phân cách lõi thì độ mở bằng0

Muốn tăng hiệu suất ánh sáng vào sợi cần có độ mở lớn song lý thuyết

đã chứng minh là khi tăng độ mở thì xung ánh sáng lan truyền bị tán xạ lớn,băng tần truyền dẫn của sợi bị thu hẹp lại

Theo hình 2-5 ta không thể mô tả đặc trưng của các mode vì thực tếkhông phải tất cả các tia sáng đi vào lõi trong phạm vi góc mở cho phép đềuđược lan truyền đến cuối sợi Do bản thân ánh sáng có tính sóng, giữa các tia

có hiện tượng giao thoa

Hai tia sóng sẽ triệt tiêu nhau nếu đỉnh của một sóng gặp bụng của mộtsóng khác, hoặc hai sóng lệch pha nhau một nửa bước sóng, còn nếu hai bướcsóng có đỉnh gặp đỉnh thì sẽ càng tăng cường chạy đến cuối đường sợi mà tagọi là các mode

Về phương tiện truyền sóng, có thể nói mode được đặc trưng bởi sựphân bố cường độ ánh sáng trên mặt cắt ngang của sợi và được lan truyền vớitốc độ xác định

Xa hơn nữa, xét về phương diện truyền dẫn thì mode sẽ trở thành tải tinkhi điều biến, như thế trên sợi đơn mode có một tải tin còn trên sợi đa modethì có rất nhiều tải tin, mỗi tải tin ứng với một bước sóng nhất định

2.5 Phân loại sợi quang

Để phân biệt sợi quang, người ta dựa vào các yếu tố của sợi quang màphân biệt thành các lại sợi khác nhau

Phân loại sợi theo chỉ số chiết suất

Phân loại theo mode truyền dẫn

Phân loại theo cấu trúc vật liệu

Phân loại dựa theo các chức năng

đặc biệt

2.5.1 Sợi có chiết suất nhảy bậc(SI) và sợi có chiết suất biến đổi đều (GI)

2.5.1.1.Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (sợi SI: Step- Index):

Đây là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và lớp vỏbọc khác nhau một cách rõ rệt như hình bậc thang Các tia sáng từ nguồnquang phóng vào đầu sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theo các đường khácnhau

18

Hình 2.5 Sợi SI (Step-Index)

Các tia sáng truyền trong lõi với cùng vận tốc:

- Số lượng mode truyền M ≈ V2/2 trong đó V = 2π.a.NA/λ

- Tán sắc mode trong sợi GI là lớn => ảnh hưởng tới việc mang dunglượng thông tin của sợi

Ở đây n1 không đổi mà chiều dài đường truyền khác nhau nên thời giantruyền sẽ khác nhau trên cùng một chiều dài sợi Điều này dẫn tới một hiện

1

n C

tượng khi đưa một xung ánh sáng hẹp vào đầu sợi lại nhận được một xung ánhsáng rộng hơn ở cuối sợi Đây là hiên tượng tán sắc,do độ tán sắc lớn nên sợi

SI không thể truyền tín hiệu số tốc độ cao qua cự ly dài được Nhược điểmnày có thể khắc phục được trong loại sợi có chiết suất giảm dần

2.5.1.2.Sợi quang có chiết suất giảm dần (sợi GI: Graded- Index):

Sợi GI có dạng phân bố chiết suất lõi hình parabol, vì chiết suất lõi thayđổi một cách liên tục nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong dần

Hình 2.6 : Sợi GI ( Građe - Index)

; )

1 (

a r

; ) / ( 1 )

(

2 1

1

n n

a r n

r n

α

α

) / ( 1 )

( )

2

n r

NA = − = − NAmax =n1 2∆

Đường truyền của các tia sáng trong sợi GI cũng không bằng nhaunhưng vận tốc truyền cũng thay đổi theo Các tia truyền xa trục có đườngtruyền dài hơn nhưng lại có vận tốc truyền lớn hơn và ngược lại, các tia truyềngần trục có đường truyền ngắn hơn nhưng lại có vận tốc truyền nhỏ hơn Tiatruyền dọc theo trục có đường truyền ngắn nhất vì chiết suất ở trục là lớn nhất.Nếu chế tạo chính xác sự phân bố chiết suất theo đường parabol thì đường đicủa các tia sáng có dạng hình sin và thời gian truyền của các tia này bằngnhau Độ tán sắc của sợi GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI.

2.5.2.Các dạng chiết suất khác:

Hai dạng chiết suất SI và GI được dùng phổ biến , ngoài ra còn có một

số dạng chiết suất khác nhằm đấp ứng các yêu cầu đặc biệt:

a.Dạng giảm chiết suất lớp bọc:

Trong kỹ thuật chế tạo sợi quang, muốn thuỷ tinh có chiết suất lớn phảitiêm nhiều tạp chất vào, điều này làm tăng suy hao Dạng giảm chiết suất lớpbọc nhằm đảm bảo độ chênh lệch chiết suất ∆ nhưng có chiết suất lõi n1

c) Dạng san bằng tán sắc:

Với mục đích giảm độ tán sắc của sợi quang trong một khoảng bướcsóng Chẳng hạn đáp ứng cho kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng người tadùng sợi quang có dạng chiết suất như hình vẽ:

Dạng chiết suất này quá phức tạp nên mới chỉ được nghiên cứu trongphòng thí nghiệm chứ chưa đưa ra thực tế

2.5.3 Sợi đa mode và đơn mode

2.5.3.1.Sợi đa mode (MM: Multi Mode):

Sợi có thể truyền được nhiều mode (coi mỗi mode là một tia sáng ứngvới một góc lan truyền cho phép)

Các thông số của sợi đa mode thông dụng (50/125µm) là:

- Đường kính lõi: d = 2a = 50µm

- Đường kính lớp bọc: D = 2b = 125µm

- Độ chênh lệch chiết suất: ∆= 0,01 = 1%

- Chiết suất lớn nhất của lõi: n1 =1,46

Sợi đa mode có thể có chiết suất nhảy bậc hoặc chiết suất giảm dần

22

%1

2.5.2.2.Sợi đơn mode ( SM: SingleMode ):

Cấu trúc của sợi dẫn quang đơn mode dựa trên cơ sở kích thước củađường kín lõi và sự khác nhau nhỏ về chỉ số chiết suất giữa lõi và vỏ sợi Kíchthước đường kính lõi sợi khoảng vìa bước sóng Trong sợi chỉ truyền mộtmode sóng nên độ tán sắc do nhiều đường truyền bằng không và sợi đơn mode

có dạng phân bố chiết suất nhảy bậc

Đặc điểm của sợi đơn mode:

- Mặt cắt chiết suất thờng có dạng SI

- Kích thớc sợi bé, độ lệch chiết suất nhỏ

- Sợi chỉ truyền một mode

Các thông số của sợi đơn mode thông dụng là:

Độ tán sắc của sợi đơn mode rất nhỏ, đặc biệt ở bước sóng λ = 1300 nm

độ tán sắc của sợi đơn mode rất thấp ( ~ 0) Do đó dải thông của sợi đơn moderất rộng Song vì kích thước lõi sợi đơn mode quá nhỏ nên đòi hỏi kích thướccủa các linh kiện quang cũng phải tương đương và các thiết bị hàn nối sợi đơnmode phải có độ chính xác rất cao Các yêu cầu này ngày nay đều có thể đápứng được do đó sợi đơn mode đang được sử dụng rất phổ biến

2.6.Các thông số của sợi quang

2.6.1 Suy hao của sợi quang:

Công suất trên sợi quang giảm dần theo hàm số mũ tương tự như tínhiệu điện Sự thay đổi công suất quang trung bình truyền trong sợi tuân theođịnh luật Beer

Biểu thức tổng quát của hàm số truyền công suất có dạng:

Trong đó:

P0 : công suất ở đầu sợi (z = 0)

P(z): công suất ở cự ly z tính từ đầu sợi

α: hệ số suy hao

24

z

P z

0 10 )

P1=P0 P2=P(L)

Z

P1 = P0 : công suất đưa vào đầu sợi

P2 = P(L) : công suất ở cuối sợi

Hệ số suy hao trung bình:

Trong đó:

A: suy hao của sợi

L: chiều dài sợi

2.6.2.Các nguyên nhân gây suy hao trên sợi quang:

Công suất truyền trong sợi bị thất thoát do sự hấp thụ của vật liệu, sựtán xạ ánh sáng và sự khúc xạ qua chỗ sợi bị uốn cong

2.6.2.1 Suy hao do hấp thụ:

Gồm 2 loại chính:

+ Hấp thụ ngoài

+ Hấp thụ thuần

* Hấp thụ ngoài: Do sự có mặt của các ion tạp chất

- Sự hấp thụ của các chất kim loại: Các tạp chất trong thuỷ tinh là mộttrong những nguồn hấp thụ ánh sáng Các tạp chất thường gặp là Sắt (Fe),Đồng (Cu), Mangan (Mn), Chromium (Cr), Cobal (Co), Nikel (ni).v.v Mức

2

1

lg 10 )

) ( )

/ (

Km L

dB Km

dB = Α α

độ hấp thụ của tạp chất phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và bước sóng ánh sángtruyền qua nó Để có sợi quang có độ suy hao dưới 1dB/Km cần phải có thuỷtinh thật tinh khiết với nồng độ tạp chất không quá một phần tỷ (10-9)

- Sự hấp thụ của OH: Sự có mặt của các ion OH trong sợi quang cũngtạo ra một độ suy hao hấp thụ đáng kể Đặc biệt độ hấp thụ tăng vọt ở cácbước sóng gần 950nm, 1240nm, 1400nm Như vậy độ ẩm cũng là một trongnhưng nguyên nhân gây suy hao của sợi quang Trong quá trình chế tạo nồng

độ của các ion OH trong lõi sợi được giữ ở mức dưới một phần tỷ (10-9) đểgiảm độ hấp thụ của nó

Đỉnh hấp thụ chính (cộng hưởng dao động) tại 2,7 µm và các đỉnh hấpthụ điều hoà và tổ hợp của chúng với thuỷ tinh tại 1.39, 1.24, 0.95 µm

* Hấp thụ thuần: do hấp thụ của thuỷ tinh tạo nên sợi.

- Các khuyết tật hoặc cấu trúc không đồng nhất trong quá trình sản xuấtsợi

Quan trọng: Sự thăng giáng mật độ dẫn đến các thăng giáng ngẫu nhiêncủa 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 tia sáng truyền đến những chỗ không hoàn hảo giữa lõi và lớp bọctia sáng sẽ bị tán xạ Lúc đó một tia tới sẽ có nhiều tia phản xạ với các gócphản 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

* Tán xạ Raylegh:

- Xuất hiện do ảnh hưởng của những chỗ không đồng nhất còn xót lạitrong 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

Hình 2.7: Suy hao do tán xạ reyleigh

Hệ số suy hao:

Trong đó hằng số C nằm trong phạm vi 0,7-0,9 (dB/km)-µm

αR = 0.12 - 0,16 dB/km tại 1,55 µm

2.6.2.3.Suy hao do sợi bị uốn cong

Suy hao do uốn cong sợi là suy hao ngoài bản chất (không cố hữu) Khibất kỳ một sợi dẫn quang nào bị uốn cong theo một đường cong có bán kínhxác 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 do uốn cong sợi:

+ Uốn cong vĩ mô

+ uốn cong vi mô

* 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 nhỏhơn 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 nénkhông đều lên bề mặt

2

32

2

21

kR n R

a N

N eff

αα

∆+

- Để giảm suy hao vi uốn cong bọc thêm lớp đệm chịu nén bằngpolyme.

- 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

2.6.2.5 Đặc tuyến suy hao

Tổng hợp các loại suy hao trong sợi và biểu diễn một tương quan theobước sóng người ta nhận được phổ của sợi Mỗi loại sợi có đặc tính suy haoriêng Một đặc tuyến điển hình của loại sợi đơn mode như hình 2.8

Nhìn vào hình 2.8 ta thấy có ba vùng bước sóng suy hao thấp nhất, còngọi 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 Suy hao tương đối thấp

khoảng từ (0,4÷0,5) dB/Km, ở bước sóng này độ tán sắc rất thấp nên đượcdùng rộng rãi hiện nay

* 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 sóng1550nm lớn so với bước sóng 1300nm Nhưng với loại sợi có dạng phân bốchiết suất đặc biệt có thể giảm độ tán sắc ở bước sóng 1550nm Lúc đó sửdụng 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

30

Hấp thụ điện tử

Hấp thụ do tạp chất

Hấp thụ vật liệu

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 hạn chế biên độ rộng băng truyền dẫn củasợi bởi vì để thu được chính xác các xung thì phải chờ khi xung thứ nhất kếtthúc, xung thứ hai mới đến

Nếu hai xung liên tục được phát với tần số rất lớn, ở đầu thu bị giãnrộng đè lên nhau dẫn tới thu sai

Ta thử xem xét ví dụ ở hình trên coi các xung phát và thu có dạng phân

bố Gauss gần đúng, xung 1 là xung phát, xung 2 là xung thu Độ rộng xung ởgiá trị biên độ 0,5 (mức 3dB) là τs,τe

e

2

s − τ τ

= τXung phân bố Gauss có phân bố biên độ là :

) 36 , 0 / exp( 2 2 max

τ

t P

P

−

=Sau khi truyền qua sợi quang Coi gần đúng như một bộ lọc thông thấpGauss tại mức suy hao 3 dB, độ rộng băng truyền dẫn B có quan hệ với τ nhưsau:

τ

26 , 2

Khi đồng thời có nhiều hiệu ứng tán sắc tác động thì tán sắc tổng cộnglà:

τ τ

τ

τ 2 = 1 + 2 + vµ.B= 1Người ta cũng định nghĩa một đại lượng đặc trưng cho dung lượngtruyền dẫn của sợi quang là tốc độ bit có thể truyền dẫn lớn nhất C bit/s

Do ảnh hưởng của tán sắc, các xung ở đầu vào máy thu bị giãn rộng,nhưng hai xung kề nhau còn phân biệt được khi độ giãn xung τ còn nhỏ hơn

độ rộng xung phát đi từ đó có tốc độ bit là:

C=1/τs=1/τ=2,26.B=2.BNhư vậy độ giãn xung, độ rộng băng tần truyền dẫn B và tốc độ bit C

có quan hệ ảnh hưởng lẫn nhau Để truyền dẫn 2 bit/s thì về lý thuyết có độrộng bằng khoảng 1 HZ nhưng trên thực tế cần 1,6HZ cho nên ta có thể nóirằng tốc độ bit/s lớn nhất của sợi quang bằng độ rộng băng tần truyền dẫn Từ

đó, để sợi cho phép truyền được các luồng bit tốc độ cao hay là có băng tầnrộng cần phải giảm ảnh hưởng của hiện tượng tán sắc đến mức thấp nhấtthông qua chọn loại sợi hoặc chọn các tham số cấu trúc tối ưu của sợi

2.6.4 Các nguyên nhân gây ra tán sắc.

2.6.4.1.Tán sắc mode (Mode Despersion)

Nguyên nhân:

- Sợi truyền nhiều mode

- Mỗi mode truyền có vận tốc nhóm khác nhau (mỗi mode có hằng sốlan truyền khác nhau)

⇒ Lệch thời gian truyền gây ra tán sắc mode

32

Độ tán sắc của mode phụ thuộc vào dạng phân bố chiết suất của sợi đamode thông qua số mũ g trong biểu thức hàm chiết suất Tán sắc mode chỉ xảy

ra ở sợi đa mode

Vì phạm vi có hạn nên ở đây chỉ đưa ra công thức đã tính toán về tánsắc mode : Với chiều dài sợi quang là L, chiết suất n1, n2 ; Giá sử có hai tia đivào sợi quang, tia thứ nhất đi đoạn đường dài hơn, tia thứ hai đi đoạn đườngngắn hơn, ta có:

C

n L t

n C

n L t

2 1 2

2 2

2 1 1

=

=

Trong đó: t1: Thời gian truyền tia thứ nhất

t2: Thời gian truyền tia thứ hai.Thời gian chênh lệch giữa hai đường truyền ∆t là:

2 1

t

d mat

+ Đối với sợi MM – SI:

Độ lệch thời gian truyền giữa tia ngắn nhất (mode bậc thấp nhất) vàtia dài nhất (mode bậc cao nhất)

+ Đối với sợi MM – GI:

- Các tia có quãng đường ngắn lan truyền với vận tốc chậm và ngượclại

- Sợi GI có một mặt cắt chiết suất tối ưu ở đó độ trễ thời gian là nhỏnhất

- Độ lệch thời gian truyền giữa tia ngắn nhất (mode bậc thấp nhất) và tiadài nhất (mode bậc cao nhất)

c

L n

T

opt

2

)2(

)(

2 1

1

α

αα

α ≠αopt

α = αopt

34

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 dochất liệu M là ps/nm.Km

+ Sự phụ thuộc chiết suất vào bớc sóng hay tần số quang có thể đượctính bằng phương trình Sellmeier:

Hình 2.11: 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, ởbước sóng 1300nm độ tán sắc vật liệu bằng tán sắc ống dẫn sóng nhưng ngược

wi: chỉ số nhóm của vật liệu vỏ sợi

2

1

λ

λλ

λ

λλλ

τ

d

n d c d

dn d

n d d

dn c d

dấu lên tán sắc sắc thể bằng không Còn ở bước sóng 1550nm độ tán sắc nàykhoảng 20 ps/nm.Km.

n dV

d V d

d

D w

λ

τ λ λ

τ

Tán sắc do ống dẫn sóng nhỏ và chỉ đáng chú ý với sợi đơnmode.

2.6.4.4 Độ tán sắc tổng cộng

Độ tán sắc tổng cộng được tính theo công thức

2 2

Do D ≠ 0 trong dải bớc sóng nằm trong phổ xung quang quanh λZD

Đặc trưng bởi độ dốc tán sắc: S = dD/d λ hoặc

DM: Tán sắc vật liệu

DW: Tán sắc ống dẫn sóngD: Tán sắc tổng

Trong đó:

2.6.4.6.Tán sắc mode phân cực

Nguyên nhân:

- Sợi đơn mode có hai mode phân cực trực giao

- Do sợi thực tế không hoàn hảo nên mỗi mode có chỉ số mode khácnhau (birefringence)

* Độ lệch chỉ số mode

- Xung quang truyền trong sợi một phần năng lợng mang bởi một trạngthái phân cực (trục nhanh), phần khác mang bởi trạng thái khác (trục chậm) ⇒tán sắc mode phân cực (PMD)

- Đối với những sợi quang dài người ta tiến hành ghép các cặp modenhằm làm cân bằng thời gian truyền và giảm phân cực mode (PMD)

Quá trình ghép cặp mode thay đổi theo môi trờng sợi quang, độ dàighép cặp mode biến đổi theo chiều dài sợi ⇒ Giá trị PMD tức thời là một biếnngẫu nhiên

- Hệ số PMD: DPMD có đơn vị ps/km1/2

- Nhiều cặp ghép mode sẽ tương ứng với một giá trị PMD hiệu dụng

2.6.4.7.Độ tán sắc của một vài loại sợi đặc biệt.

Khi thay đổi tán sắc ống dẫn sóng DW dẫn tới D thay đổi => hình thànhnên các sợi quang mới như:

- Sợi tán sắc phẳng

- Sợi dịch tán sắc

- Sợi bù tán sắc

a.Sợi dịch tán sắc.

Vì độ suy hao ở mức sóng 1550 nm chỉ bằng phân nửa so với suy hao ởbước sóng 1300 nm nên ở tuyến cáp quang đường dài hay sử dụng bước sóngnày, nhưng độ tán sắc ở bước sóng 1550 nm lại lớn Để giải toả trở ngại nàyngười ta làm theo hai cách:

- Giảm độ rộng phổ của nguồn quang để giảm tán sắc chất liệu

40