đồ án kỹ thuật điện điện tử Các thông số và cấu trúc của cáp sợi quang va Các linh kiện biến đổi quang điện

LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, trong cuộc sống hàng ngày thông tin liên lạc đóng vai trò rất quan trọng không thể thiếu được, nó quyết định nhiều mặt hoạt động của xã hội, giúp con người nắm bắt nhanh chóng các giá trị văn hoá, kinh tế, khoa học kĩ thuật rất đa dạng và phong phó. Trong lĩnh vực viễn thông nhờ các thành tựu của công nghệ bán dẫn điện tử, công nghệ thông tin, những phát minh quang học, vi ba sè … đã tạo nên bước nhảy vọt rất kỳ diệu. Dựa trên những thành quả đó, kĩ thuật thông tin quang ra đời và phát triển rất nhanh chóng. Thông tin quang với nhiều công nghệ khác nhau đã được phát triển, đáp ứng nhu cầu thông tin ngày càng tăng cả về số lượng và chất lượng, tạo nhiều thuận lợi trong miền thời gian cũng như không gian, chắc chắn trong tương lai thông tin quang sẽ hoàn thiện nhiều hơn nữa để thoả mãn nhu cầu thông tin tự nhiên của con người. Mục tiêu của bản báo cáo này là nghiên cứu những nguyên lý cơ bản về thông tin quang. Báo cáo được bố cục theo nội dung sau: Chương I : Cơ bản về hệ thống thông tin quang Chương II : Lý thuyết chung về sợi dẫn quang Chương III : Các thông số và cấu trúc của cáp sợi quang Chương IV : Các linh kiện biến đổi quang điện Xin chân thành cảm ơn Tiến Sĩ Nguyễn Vũ Sơn, các thầy cô giáo đã dạy dỗ trong suốt quá trình học tập và giúp đỡ em hoàn thành bản báo cáo này. tuy nhiên do thời gian, tài liệu cũng như khả năng còn hạn chế, bản báo cáo này không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong sự thông cảm, đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn. Báo cáo thực tập Hà Nội, ngày 30 tháng 4 năm 2006 Sinh viên thực hiện : Trần Quốc Hoàn Chương I : HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG I. Quá trình phát triển của các hệ thống thông tin quang. LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) là một trong những phát minh lớn nhất thế kỷ XX. Trên cơ sở lý thuyết bức xạ kích thích của Einstein và quan sát bằng thực nghiệm bức xạ kích thích của Fabricant (GS trường đại học năng lượng Matxcova_1940), Townes_nhà vật lý Mỹ đã phát minh ra máy khuyếch đại sóng điện từ bằng bức xạ kích thích. Tháng 2/1960, Maiman chế tạo ra laser Rubi-Laser đầu tiên trên thế giới. Tháng 6/1960, Javan chế tạo ra laser khí He_Ne. Từ đó đã dấy lên một cao trào nghiên cứu chế tạo và ứng dụng laser. Đến nay, laser đã được chế tạo và ứng dụng rộng rãi trong hầu khắp cácc nghành khoa học công nghệ và y tế. Nhưng ứng dụng quan trọng nhất là thông tin cáp sợi quang. Về lý thuyết, nguồn laser có khả năng truyền dẫn băng rộng cực lớn (10 triệu kênh TV) nên trong đầu năm 1960, người ta đã thực hiện một số các thí nghiệm sử dụng các kênh ánh sáng không khí (HTTTQ khí quyển) để truyền tín hiệu. Kết quả thu được khá khả thi tuy nhiên các hệ thống thông tin khí quyển có nhược điểm là chi phí rất cao cộng với môi trường không khí không ổn định do chịu nhiều tác động của mưa, sương mù, tuyết, Đồng thời với các thực nghiệm trên là những nghiên cứu đối với sợi quang vì chúng có thể tạo ra những kênh thông tin tin cậy và linh hoạt hơn kênh không khí : + Ban đầu suy hao là vô cùng lớn (trên 1000dB/km) SVTH : Trần Quốc Hoàn 2 Báo cáo thực tập + 1966 : Kao Hockman và Wertst phán đoán những giá trị suy hao lớn này là do độ không tinh khiết của nguyên liệu sợi quang + 1970 Kapron Keck và Maurer chế tạo ra sợi Silic có suy hao 20dB/km. Tại giá trị này, khoảng cách bộ lặp của các tuyến sợi quang có thể sánh với hệ thống cáp đồng. Do đó đã đưa công nghệ sóng ánh sáng vào thực tế kỹ thuật + Hai thập kỷ tiếp theo đã nghiên cứu và chế tạo ra được loại sợi có suy hao 0,16dB/km tại bước sóng λ = 1550nm (giá trị lý thuyết là 0,14dB/km). Những ứng dụng đầu tiên của hệ thống thông tin sợi quang chủ yếu là các đường trung kế. Các tuyến số này gồm các kênh thoại 64Kbp được ghép TDM theo các chuẩn PDH của Châu Âu, Bắc Mỹ và Nhật. Từ những năm 90 trở lại đây, các tuyến sợi quang theo tiêu chuẩn SDH đã dần thay thế các tuyến PDH trên phạm vi rộng khắp. Ngoài ra sợi quang còn được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau trong mạng nội hạt, ISDN với nhiều loại sợi (đa mode và đơn mode) ở nhiều bước sóng (850,1310,1550nm) trên nhiều khoảng cách (500m → n x 10km → n x 1000km) trong nhiều tuyến (cáp chôn, cáp treo, cáp quang biển). SVTH : Trần Quốc Hoàn 3 0.1 1 10 100 1000 10000 Hiệu suất hệ thống ( Gbps.km) Năm 74 76 78 80 82 84 86 88 90 Sợi đa mode 850nm Sợi đ¬n mode 1300nm T¸ch sãng trực tiếp sợi đơn mode1550nm Hệ thống 5Gbps, 233km với 5 bộ KĐ quang (2) H×nh 1 : Sù ph¸t triÓn cña c¸c hÖ thèng th«ng tin quang Báo cáo thực tập Trong tương lai, các hệ thống này còn sử dụng các mạng toàn quang bao gồm các thành phần chuyển mạch, bộ lặp, khối truy nhập mạng trên cơ sở công nghệ quang. Ngoài ra truyền dẫn soliton đang được nghiên cứu và phát triển. II. Mô hình hệ thống. Cấu trúc điển hình của một tuyến thông tin sợi quang được mô tả trên hình 2. Các phần tử chính bao gồm : nguồn sáng, sợi quang và bộ tách sóng quang (đi kèm là các mạch điều khiển, khuyếch đại, khôi phục tín hiệu). Các phần tử phụ bao gồm : Bộ lặp (đầu cuối và đường dây) và các bộ tách ghép (add/drop). Nói chung, tín hiệu điện (phát ra từ điện thoại, đầu cuối số liệu, máy Fax, ) được biến đổi thành tín hiệu quang thông qua bộ biến đổi điện/quang (E/O). Khi đó, các mức tín hiệu được biến đổi thành tín hiệu quang tương ứng, mức “0 và 1” của tín hiệu điện được biến đổi thành tắt/bật của án sáng và đưa tín hiệu này vào sợi quang. Các tín hiệu truyền lan trong sợi quang tới đầu thu, tại đây tín hiệu sẽ được biến đổi quang/điện (O/E), khôi phục lại tín hiệu ở phía phát. + Bé E/O chính là các linh kiện phát sáng nh LED, LD + Bé O/E chính là các linh kiện thu ánh sáng nh phôtdiode SVTH : Trần Quốc Hoàn 4 Mạch điều khiển Nguồn ph¸t quang Bộ lặp Thu quang Kh«i phôc tÝn hiÖu E/O O/E M¸y ph¸t M¸y thu Sợi quang TÝn hiệu điện vµo Tín hiệu điện ra H×nh 2 : CÊu tróc ®iÓn h×nh cña tuyÕn th«ng tin sîi quang Báo cáo thực tập + Bộ lặp : biến đổi, tái tạo tín hiệu nhằm bù đắp sự suy hao trong quá trình truyền dẫn + Bộ tách/ghép : tách/ghép tín hiêu đưa tới từ thiết bị khác. III. Đặc điểm thông tin quang. Hệ thống thông tin quang có một số ưu điểm so với các hệ thống sử dụng cáp đồng cổ điển do sử dụng các đặc tính của sợi quang, linh kiện thu quang, phát quang. 1). Đặc điểm chủ yếu của sợi cáp quang. a/. Suy hao thấp : suy hao của cáp quang thấp hơn so với cáp song hành kim loại hoặc cáp đồng trục b/. Độ rộng băng : cáp sợi quang có thể truyền tải tín hiệu có tần số cao hơn rất nhiều so với cáp đồng trục, mức độ khác nhau tuỳ thuộc vào sợi cáp quang SVTH : Trần Quốc Hoàn 5 Suy hao dB/km 2 10 20 50 100 200 500 1000 Tần số (MHz) Sợi quang đơn mode (10/125μm) Sợi quang đa mode chiết suất biến đổi (50/125μm) C¸p song hµnh (0,65 mmΦ) C¸p kim loại C¸p đồng trục (2,695mmΦ) C¸p sợi quang (bước sãng 1,3μm) Sợi quang đa mode chiết suất bậc H×nh 3: C¸c ®Æc tÝnh truyÒn dÉn cña c¸p quang vµ c¸p kim lo¹i Báo cáo thực tập c/. Đường kính sợi nhỏ, trọng lượng nhẹ : cáp sợi quang nhỏ về kích thước, nhẹ về trọng lượng so với cáp đồng. Một sợi cáp quang có cùng đường kính với cáp kim loại có thể chứa một số lượng lớn lõi sợi quang hơn số lượng lõi kim loại cùng cỡ. Các đặc điểm này của sợi có ưu điểm rất lớn khi lắp đặt cáp. d/. Đặc tính cách điện : bởi vì thuỷ tinh không dẫn điện, do vậy cáp sợi quang không chịu ảnh hưởng của điện từ trường bên ngoài (cáp diện cao thế, sóng vô tuyến và truyền hình) đặc tính này có một số ưu thế rất lớn trong một số các ứng dụng cụ thể. Như vậy không cần thiết phải tách cáp thông tin ra khỏi các thiết bị gây ra cảm ứng điện từ trường, bảo vệ an toàn cho công nhân cũng như ổn định chất lượng thông tin. e/. Tiết kiệm tài nguyên : thạch anh là nguyên liệu chính để sản xuất sợi quang. So với cáp kim loại, nguồn nguyên liệu này dồi dào hơn.Hơn nữa, một số lượng nhỏ nguyên liệu có thể sản xuất được một đoạn cáp quang dài. 2). Ưu điểm của các linh kiện thu phát quang. + Có khả năng điều chế tốc độ cao nên sử dụng trong truyền dẫn tín hiệu tốc độ cao và băng rộng. + Kích thước nhỏ, hiệu suất biến đổi quang - điện cao. + Cho phép suy hao giữa máy phát và máy thu lớn vì các linh kiện có khả năng phát xạ công suất quang lớn và độ nhạy máy thu cao vẫn đảm bảo chất lượng truyền dẫn. Trong hệ thống thông tin quang, khoảng cách giữa các trạm lặp có thể lên tới vài chục kilomet do sự kết hợp giữa các đặc điểm suy hao thấp, băng rộng , linh kiện phát quang có công suất cao, độ nhạy linh kiện thu cao. Số lượng trạm lặp đường dây giảm đi đáng kể so với số lượng trạm lặp cáp kim loại cổ điển, một vài tuyến điện thoại có thể liên lạc với nhau trực tiếp không SVTH : Trần Quốc Hoàn 6 Báo cáo thực tập thông qua bất cứ trạm lặp nào. Hệ thống thông tin sợi quang thực tế rất kinh tế, độ tin cậy cao đồng thời dễ dàng lắp đặt và bảo dưỡng. Hơn nữa, truyền dẫn ghép kênh dung lượng lớn cho phép thực hiện các dịch vụ truyền video đang có nhu cầu phát triển lớn. Điều này sẽ làm cho giá thành dịch vụ giảm thấp. Chương II : LÝ THUYẾT CHUNG VỀ SỢI DẪN QUANG I. Cơ sở quang học. Trong hệ thống thông tin quang, thông tin được truyền tải bằng ánh sáng. Chúng ta sẽ nghiên cứu tới các đặc tính của ánh sáng vì rất cần thiết để hiểu được sự lan truyền của ánh sáng trong sợi quang và nguyên lý của dao động laser. 1). Phổ sóng điện từ. Các bức xạ điện từ nói chung có cùng bản chất tự nhiên và có thể xem nh sóng hạt tính chất sóng hạt nổi bật trong từng vùng. Người ta phân chia các vùng của sóng điện từ theo các thông số nh sau: + Tần số : kí hiệu : f, đơn vị : Hz + Bước sóng : kí hiệu : λ, đơn vị : m + Năng lượng photon : kí hiệu : E, đơn vị : ev Các thông số trên sử dụng rộng rãi trong từng vùng và chúng có thể chuyển đổi theo các công thức sau : C = λ.f E = hf SVTH : Trần Quốc Hoàn 7 Báo cáo thực tập Trong đó : - C là vận tốc ánh sáng - C = 300.000km/s = 3.10 8 m/s - h là hằng số Planck, h = 6,625.10 – 34 Js 2). Các định luật của ánh sáng. Ta đã biết ánh sáng truyền thẳng trong môi trường đồng nhất (chiết suất không đổi), bị phản xạ hoặc khóc xạ tại biên ngăn cách giữa hai môi trường có chiết suất khác nhau. Sự truyền thẳng, khóc xạ và phản xạ là ba đặc điểm của ánh sáng. Một đặc điểm quan trọng khác của ánh sáng là : vận tốc lan truyền thay đổi theo chiết suất của môi trường mà ánh sáng lan truyền qua. Vận tốc ánh sáng trong khong khí là c = 300.000 km/s (chính xác là 2,9979 x 10 8 m/s với vận tốc này ánh sáng có thể đi 7,5 vùng quanh trái đất trong thời gian một giây). Trong môi trường có chiết suất khóc xạ lớn thì vận tốc ánh sáng là v as = c/n , trong môi trường không khí thì chiết suất khóc xạ bằng 1. a/. Định luật phản xạ và khúc xạ ánh sáng. Các định luật về ba đặc tính cơ bản của ánh sáng có thể giải thích bằng hiện tượng thực tế về vận tốc ánh sáng và một nguyên lý truyền ánh sáng theo đường thẳng có thời gian ngắn nhất khi so sánh với rất nhiều đường truyền khác nối giữa hai điểm (nguyên lý này gọi là nguyên lý Fecma). + Phản xạ Xét tia sáng AO đi tới mặt gương (hình 4) Tại O, tia sáng bị phản xạ, tia phản xạ OB Ta có : góc tới Φ i = góc phản xạ Φ r + Khóc xạ SVTH : Trần Quốc Hoàn 8 Φ i Φ r A O B H×nh 4 A Φ 1 Báo cáo thực tập Xét tia sáng đi từ môi trường có chiết suất n 1 tới môi trường có chiết suất n 2 (hình 5) Ta có định luật Snell : n 1 . sinΦ 1 = n 2 . sinΦ 2 Hai công thức trên chính là định luật phản xạ và khúc xạ ánh sáng b/. Hiện tượng phản xạ toàn phần. Xét tia sáng đi từ môi trường có chiết suất n 1 tới môi trường có chiết suất n 2 < n 1 (hình 6). Khi đã, nếu ta tăng dần góc tới Φ 1 thì góc khúc xạ sẽ tiến dần tới 90 0 Φ 1 → Φ c thì Φ 2 = 90 0 Φ c : được gọi là góc tới hạn Tất cả các tia sáng có góc tới Φ 1 > Φ c thì các tia sáng sẽ không đi được vào môi trường chiết suất n 2 nữa mà bị phản xạ tại mặt phân cách → hiện tượng phản xạ toàn phần. áp dụng định luật Snell ta có : sinΦ c = 1 2 n n Sự lan truyền của ánh sáng trong sợi quang dựa trên hiện tượng phản xạ toàn phần. 3). Chiết suất của môi trường. SVTH : Trần Quốc Hoàn 9 H×nh 5 B n 1 n 2 O Φ 2 A Φ 1 Φ c o Φ 2 (2) n 1 > n 2 n 2 H×nh 6 Báo cáo thực tập Chiết suất môi trường trong suốt được xác định bởi tỷ số của vận tốc ánh sáng trong chân không và vận tốc ánh sáng trong môi trường Êy. n = c/v Trong đó n : là chiết suất của môi trường có đơn vị c : là vận tốc ánh sáng trong chân không (m/s) v : là vận tốc ánh sáng trong môi trường (m/s) II. Sự truyền ánh sáng trong sợi quang. 1). Nguyên lý truyền dẫn chung. Trong hệ thống thông tin quang sợi, ánh sáng được truyền theo suốt sợi quang giới hạn trong lõi vì có hiện tượng phản xạ toàn phần. 2). Khẩu độ số NA. Xét ba tia sáng (1), (2), (3) được đưa từ nguồn sáng tới sợi quang (hình 8). Tại điểm đưa vào của sợi quang chia thành ba môi trường liền nhau có chiết suất khóc xạ khác nhau. + Không khí : n o =1 SVTH : Trần Quốc Hoàn 10 Vỏ (chiết suất n 2 ) Vỏ (chiết suất n 2 <n 1 ) Lâi (chiết suất n 1 ) H×nh 7 : ¸nh s¸ng truyền dẫn bị giới hạn trong lâi sợi Vỏ ( n 2 ) Vỏ ( n 2 ) Lâi (n 1 > n 2 ) (1) (2) (3) (1) (2) (3) 90 0 Φ c Φ max Kh«ng khÝ n 0 = 1 H×nh 8 : Gãc nhận của sợi quang [...]... nờn tuyn cỏp quang u ng di hay s dng bc súng ny, nhng tỏn sc bc súng 1550nm li ln gii to tr ngi ny ta lm theo hai cỏch : + Gim b rng ph ca ngun quang gim tỏn sc cht liu : Dmat = dmat. + Dch im cú tỏn sc bng 0 n bc súng 1550nm (si cú c tỏn sc bng 0 ti bc súng 1550nm gi l si tỏn sc dch chuyn Tán sắc (ps/nm.km) Sợi tối u tại Sợi tán sắc phẳng Sợi tán sắc dịch Hình 14 : Tán sắc sợi dẫn quang đơn mode... trúc tng quỏt Cu trỳc ca cỏp phi c tho món yờu cu chớnh l bo v si quang, c ch to phự hp mt mc ớch s dng ca vin thụng bao gm: cỏp treo, cỏp chụn trc tip, cỏp th bin, cỏp trong nh Mi loi cú mt vi chi tit c bit ngoi cu trỳc chung ca cỏp Vỏ cáp (nhựa PE) Thành phần chịu lực ngoài Lớp đệm (nhựa PE) Thành phần chịu lực trung tâm Băng quấn (Plaste) Sợi quang Lớp đệm mỏng Hình 16 : Cấu trúc tổng quát của cáp. .. thnh h thng + nh ngha : i lng suy hao trong si quang = 10 lg P2 P1 [dB] P1 l cụng sut quang u vo ca si cú di L P2 l cụng sut quang u ra ca si cú di L 2) Cỏc nguyờn nhõn gõy suy hao trờn si quang L do s hp th ca vt liu lm si, s tỏn x quang v khỳc x quang ch si bi un cong a/ Suy hao hp th + Nguyờn nhõn : - Do bn thõn si quang : suy hao thun tuý do bn thõn si quang bao gm suy hao hp th cc tớm v suy hao... suy hao quang + Nguyờn nhõn - Tn ti khe h nh gia hai si quang - B mt ch hn khụng ng nht - Lừi trc si quang lch nhau g/ Suy hao ghộp ni si quang v cỏc linh kin quang + iu kin ghộp ỏnh sỏng t linh kin phỏt quang vo si quang c xỏc nh bng khu s NA LD v LED cú rng chựm sỏng khỏc nhau, khi ghộp ni vo si quang thỡ LD cú c im v suy hao tt hn (suy SVTH : Trn Quc Hon 18 Bỏo cỏo thc tp hao ít hn) so vi LED... bờn ngoi bo v si quang, trỏnh nhiu tỏc ng do iu kin bờn ngoi si quang cũn c bc thờm vi lp na 250àm 0,9(2nm) Lớp vỏ SVTH : Trn Quc Hon Lớp phủ 125àm Lớp bọc 25 10(50àm) Lõi Bỏo cỏo thc tp Hình 17 : Cấu trúc sợi quang 1) Lp ph (cú tỏc dng bo v si quang) + Chng li s xõm nhp ca hI nc + Trỏnh s try sc gõy nờn nhng vt nt + Gim nh hng vỡ un vi cong 2) Lp v Cú tỏc ng tng cng sc chu ng ca si quang trc nhng tỏc... 1550 Hình 12 : Các ca s quang Suy hao trong si quang l mt hm s ca bc súng Si quang c s dng trong cỏc h thng thụng tin si quang lm vic ba vựng bc súng cụng tỏc cú suy hao nh nht Ba vựng ny c gi l ba ca s SVTH : Trn Quc Hon 19 Bỏo cỏo thc tp quang : th nht, th hai v th ba cú cỏc bc súng trung tõm tng ng l 850nm, 1310nm, 1550nm II Tỏn sc Hin tng tỏn sc : khi truyn dn cỏc tớn hiu qua si quang s xut hin... si quang b un cong i mt lng nh (khong vi àm), lm tng suy hao quang chú ý n sn xut cu trúc si bo v si chng li cỏc ỏp lc bờn ngoi f/ Suy hao hn ni Khe h Góc lch trc Lch trc b mt không ng nht Hình 11 + Nu hai si quang c hn ni vi nhau nhng khụng c gn hon ton ng nht thỡ phn ỏnh sỏng i ra khi si ny s khụng i vo si kia v b phỏt x ra ngoi gõy nờn suy hao quang + Nguyờn nhõn - Tn ti khe h nh gia hai si quang. .. thi gian khỏc nhau trờn cựng mt c ly Khi cho một tia sỏng hp i vo si quang s nhn c mt tia sỏng rng hn u bờn kia gi l hin tng tỏn sc 2) Si quang cú chit sut gim dn (si GI_Graded-Index) r a n2 n2 n1 n n1 Xung vào GI_MM Xung ra Hình 10: truyền ánh sáng trong sợi quang có chiết suất giảm dần + Si GI cú chit sut hỡnh parabol + ng truyn trong si GI cng khụng bng nhau nhng do cu to ca si nờn vn tc truyn... 2 Bỏo cỏo thc tp Trong ó : + no l chit sut ln nht ca lừi si quang + a l bỏn kớnh lừi si quang + r l khong cỏch gia trc si quang v im a tia sỏng vo si NA ca si GI thay i theo r Núi cỏch khỏc nú ph thuc vo chờnh lch ca chit sut v si v chit sut ni b (hm s theo bỏn kớnh ) lừi si III Cỏc dng phõn b chit sut trong si quang Cu trúc chung ca si quang gm mt lừi bng thu tinh cú chit sut ln v mt lp bc cng bng... ánh sáng trong sợi quang có chiết suất nhảy bậc + Chit sut nhy bc l loi si cú cu to n gin nht vi chit sut ca lừi v lp bc khỏc nhau mt cỏch rừ rt nh hỡnh bc thang Cỏc tia sỏng t ngun quang phúng vo u si vi gúc ti khỏc nhau s truyn theo cỏc ng khỏc nhau + Nhc im ca dng chit sut ny : vi cỏc tia sỏng cú gúc ti khỏc nhau s c truyn vi thi gian khỏc nhau trờn cựng mt c ly Khi cho một tia sỏng hp i vo si quang . bản về hệ thống thông tin quang Chương II : Lý thuyết chung về sợi dẫn quang Chương III : Các thông số và cấu trúc của cáp sợi quang Chương IV : Các linh kiện biến đổi quang điện Xin chân thành. mặt chỗ hàn không đồng nhất - Lõi trục sợi quang lệch nhau g/. Suy hao ghép nối sợi quang và các linh kiện quang. + Điều kiện để ghép ánh sáng từ linh kiện phát quang vào sợi quang được xác định. hiệu quang thông qua bộ biến đổi điện/ quang (E/O). Khi đó, các mức tín hiệu được biến đổi thành tín hiệu quang tương ứng, mức “0 và 1” của tín hiệu điện được biến đổi thành tắt/bật của án sáng