Đồ án: Nghiên cứu Cáp Sợi Quang

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 6 TỔNG QUAN 7 1. Lịch sử phát triển 7 2. Cấu trúc một hệ thống thông tin quang đơn giản 9 3. Ưu điểm của thông tin quang 10 CHƯƠNG 1: SỢI QUANG 12 1.1 Những ứng dụng của sợi quang 12 1.2 Ưu điểm của thông tin sợi quang 12 1.3 Lý thuyết chung về sợi dẫn quang 13 1.3.1. Phổ của sóng điện từ 13 1.3.2. Chiết suất của môi trường 14 1.3.3. Hiện tượng phản xạ ánh sáng toàn phần 15 1.4.Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang 16 1.4.1. Nguyên lý truyền dẫn chung 16 1.4.2. Sự lan truyền các mode trong sợi quang 17 1.5. Phân loại sợi quang 20 1.5.1. Sợi có chiết suất nhảy bậc(SI) và sợi có chiết suất biến đổi đều (GI) 20 1.5.1.1. Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (sợi SI: Step Index) 20 1.5.1.2. Sợi quang có chiết suất giảm dần (sợi GI: Graded Index) 22 1.5.2. Các dạng chiết suất khác 23 1.5.3. Sợi đa mode và đơn mode 24 1.5.3.1. Sợi đa mode (MM: Multi Mode) 24 1.5.3.2. Sợi đơn mode ( SM: SingleMode ) 25 1.6. Các thông số của sợi quang 26 1.6.1. Suy hao của sợi quang 26 1.6.2. Các nguyên nhân gây suy hao trên sợi quang 27 1.6.2.1. Suy hao do hấp thụ 28 1.6.2.2. Suy hao do tán xạ 29 1.6.2.3. Suy hao do sợi bị uốn cong 30 1.6.2.4. Một số suy hao khác 31 1.6.2.5. Đặc tuyến suy hao 31 1.6.3. Tán sắc (Dispersion) 33 1.6.4. Các nguyên nhân gây ra tán sắc 34 1.6.4.1. Tán sắc mode (Mode Despersion) 34 1.6.4.2. Tán sắc vật liệu 36 1.6.4.3. Tán sắc do tác dụng của ống dẫn sóng 37 1.6.4.5. Tán sắc bậc cao 39 1.6.4.6. Tán sắc mode phân cực 39 1.6.4.7. Độ tán sắc của một vài loại sợi đặc biệt 40 1.6.5. Dải thông của sợi quang 42 1.6.6. Bước sóng cắt 43 1.6.7. Đường kính trường mode (MFD:Mode Field Diameter) 43 1.7. Cấu trúc sợi quang 44 1.7.1. Cấu trúc của sợi quang 44 1.7.1.1. Lớp phủ 44 1.7.1.2. Lớp vỏ 45 1.7.2. Yêu cầu đối với sợi quang 47 1.8. Các phương pháp chế tạo sợi quang 48 1.8.1. Vật liệu chế tạo sợi 48 1.8.2. Các phương pháp chế tạo sợi quang 48 1.8.3. Các phương pháp chế tạo phôi sợi 49 1.8.3.1. Phương pháp thanh ống cổ điển 49 1.8.3.2. Phương pháp nồi nấu đôi (Double Orucible) 49 1.8.3.3. Phương pháp đọng hơi hóa chất 50 1.8.3.3.1. Phương pháp đọng hơi hóa chất: (chemical vapour deposition CVD) 50 1.8.3.3.2. Phương pháp đọng hơi hóa chất nhờ Plasma (Plasma chemical vapour Deposition PCVD) 52 1.8.3.3.3. Phương pháp đọng hơi hóa chất bên ngoài ( Outside Chemical Vapour Deposition OCVD) 52 1.8.3.3.4. Phương pháp đọng hơi hóa chất theo trục ( Vapour Axial Deposition VAD) 53 1.8.4. Quá trình kéo sợi 53 1.8.5. Nguyên tắc tạo ra sợi quang mới 54 1.9. Hàn nối sợi quang 54 1.9.1. Yêu cầu kỹ thuật 54 1.9.2. Các phương pháp hàn nối sợi quang 55 1.9.2.1. Phương pháp dùng keo dính 55 1.9.2.2. Phương pháp dùng hồ quang 56 1.9.3. Bảo vệ mối nối 58 CHƯƠNG 2 CÁP QUANG 60 2.1.1. Đặc điểm, yêu cầu đối với cáp quang 60 2.1.2. Khả năng của sợi và cáp quang 60 2.2. Cấu trúc cáp quang 61 2.2.1. Cấu trúc tổng quát của cáp quang 62 2.2.1.1. Phần lõi 62 2.2.1.2.Vỏ cáp 65 2.3.Phân loại cáp quang 66 2.3.1. Phân loại theo cấu trúc: 66 2.3.2. Phân loại theo mục đích sử dụng 67 2.3.3. Phân loại theo điều kiện lắp đặt 67 2.3.3.1.Cáp treo 68 2.3.3.2.Cáp đặt trong cống 68 2.3.3.3. Cáp chôn trực tiếp 69 2.3.3.4. Cáp đặt trong nhà 69 2.3.3.5. Cáp ngập nước và thả biển 70 2.4. Đo thử cáp quang và đo bảo dưỡng 71 2.4.1. Khái quát 71 2.4.2. Mục đích của đo thử 71 2.4.3. Đo thử bảo dưỡng 72 2.5. Các biện pháp bảo vệ cáp quang 73 2.5.1. Độ chôn sâu cáp 73 2.5.2. Chống mối và chống chuột 74 2.5.3. Chống ảnh hưởng của sét 75 KẾT LUẬN 76 Tài liệu tham khảo 77

Trang 1

MỤC LỤC

Danh mục các kí hiệu,chữ viết tắt

- SI : Step-Index (Sợi có chiết suất nhảy bậc)

- GI: Graded-Index (Sợi có chiết suất giảm dần)

- MM : Multi Mode (Sợi đa mode)

- SM : Single Mode (Sợi đơn mode)

- Dispersion : Tán sắc

1

Trang 2

- Mode Dispersion : Tán sắc mode

- MFD : Mode Field Diameter ( Đường kính trường mode)

- Double Orucible : Phương pháp nồi nấu đôi

- CVD : Chemical Vapour deposition (Phương pháp đọng hơi hóa chất)

- PCVD : Plasma Chemical Vapour Deposition (Phương pháp đọng hơi hóa chất nhờ Plasma)

- OCVD : Outside Chemical Vapour Deposition (Phương pháp đọng hơi hóa chất bên ngoài)

- VAD : Vapour Axial Deposition (Phương pháp đọng hơi hóa chất theo trục)

Trang 3

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay các hệ thống thông tin quang chiếm hầu hết các tuyến truyền dẫn quantrọng trên mạng lưới viễn thông quốc tế, và được coi là phương thức truyền dẫn có hiệuquả nhất trên các tuyến vượt biển và xuyên lục địa Để đáp ứng nhu cầu truyền tải lớn do

sự bùng nổ thông tin, mạng truyền dẫn đòi hỏi phải có sự phát triển mạnh về cả quy mô vàtrình độ công nghệ 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 có tốc độ cao, cự

ly xa, độ tin cậy cao…

Trong toàn bộ hệ thống thông 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 emkhông thể tránh được những thiếu sót Nên em mong các thầy cô trong bộ môn và các bạntrong lớp đánh giá và đóng góp nhiều ý kiến để đề tài sâu hơn và phát triển đồ án ở mứccao hơn nữa

Trong quá trình làm bài, em đã nhận được sự hướng dẫn chi tiết của thầy Trần ĐìnhThông và góp ý của các bạn trong lớp Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn !

Sinh Viên Nguyễn Thị Lưu

3

Trang 4

TỔNG QUAN

Hệ thống thông tin được hiểu một cách đơn giản là hệ thống để truyền thông tin

từ nơi này đến nơi khác Khoảng cách truyền tin có thể là hàng trăm km, hàng trục nghìn

km hoặc xuyên qua các đại dương Thông tin có thể truyền qua các sóng điện với các dảitần số khác nhau

Hệ thống thông tin quang sợi là hệ thống thông tin bằng sóng ánh sáng và sử dụngcác sợi quang để truyền tin Nó phát triển nhanh và còn tiềm tàng khả năng rất lớn trongviệc hiện đại hoá các mạng lưới viễn thông trên thế giới

1 Lịch sử phát triển

Trong tiến trình lịch sử phát triển của nhân loại việc trao đổi thông tin giữa conngười với con người đã trở thành một nhu cầu quan trọng, một yếu tố quyết định góp phầnthúc đẩy sự lớn mạnh tiến bộ của mỗi quốc gia, cũng như nền văn minh của nhân loại Cùng với sự phát triển của hệ thống thông tin hữu tuyến và vô tuyến sử dụng môitrường truyền dẫn là dây dẫn kim loại cổ điển(cáp đồng) và không gian.Thì việc sử dụngánh sáng như một phương tiện trao đổi thông tin cũng được khai thác có hiệu quả Cùngvới thời gian thông tin quang đã phát triển và ngày càng hoàn thiện với những mốc lịch sửnhư sau:

-1790 : CLAU DE CHAPPE, kĩ sư người Pháp, đã xây dựng một hệ thống điện báogồm một chuỗi các tháp với các đèn báo hiệu trên đó Tin tức vượt qua chặng đường200km trong vòng 15 phút

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

-1880 : ALEXANDER GRAHAM BELL, người Mỹ giới thiệu hệ thống thông tinPhotophone Tiếng nói được truyền đi bằng ánh sáng trong môi trường không khí Nhưngchưa được áp dụng trong thực tế vì quá nhiều nguồn nhiễu

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

- 1958: ARTHUR SCHAWLOUR và CHARLES H TOUNES, xây dựng và phát triểnLaser

Trang 5

- 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 tìmmôi trường truyền dẫn quang thích hợp

- 1966: CHARLES H KAO và GEORCE A HOCKHAM, hai kĩ sư phòng thí nghiệmStanrdard 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(ở khoảng1000dB/Km)

- 1970: Hãng Corning Glass Work chế tạo thành công sợi quang loại SI có suy hao nhỏhơn 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 chỉ còn khoảng 0,2[dB/km] ở bước sóng 1550nm

5

Trang 6

2 Cấu trúc một hệ thống thông tin quang đơn giản

Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống thông tin quang đơn giản

‘0’và ‘1’được biến đổi ra ánh sáng tương ứng dạng ‘không’ và ‘có’

Sau đó tín hiệu quang được đưa vào sợi quang truyền đi Bộ biến đổi điện quangthực chất là các linh kiện phát quang như LED, Laser diode

- Sợi quang: Để truyền dẫn ánh sáng của nguồn bức xạ (E/O) đã được điều biến, nó cóvai trò như kênh truyền dẫn

- Bộ biến đổi O/E: là bộ thu quang, tiếp nhận ánh sáng từ sợi quang đưa vào và biếnđổi trở lại thành tín hiệu điện như tín hiệu đã phát đi, nó có vai trò như bộ giải điều chế -Trạm lặp: Khi truyền dẫn trên tuyến truyền dẫn, công suất bị giảm đi, tín hiệu trênđường truyền bị tiêu hao, dạng sóng (độ rộng xung) bị giãn ra do nhiều nguyên nhânkhác nhau Vì vậy, để truyền được đi xa cần có trạm lặp Hiện nay chưa thực hiện đượckhuếch đại hay tái sinh trực tiếp tín hiệu quang nên các trạm lặp phải thực hiện 3 bướcsau:

+ Chuyển đổi từ tín hiệu quang sang tín hiệu điện

+ Sửa đổi dạng tín hiệu đã bị méo hoặc tái sinh tín hiệu điện

Trang 7

+ Chuyển đổi tín hiệu điện đã được khuếch đại hoặc tái sinh thành tín hiệu quang

để tiếp tục phát đi

- Tải tin: Trong hệ thống thông tin điện thì tải tin là các sóng điện từ cao tần, trong hệthống quang là ánh sáng cũng là sóng điện từ song có tần số rất cao (1014-1015Hz) do vậytải tin quang rất thuận lợi cho tải các tín hiệu băng rất rộng

- Năng lực truyền dẫn: năng lực truyền dẫn của hệ thống được đánh giá qua hai đạilượng:

+ 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 lặprất lớn Thực tế ở các hệ thống quang hiện nay đã vượt qua các hệ thống điện ở cả hai yêucầu trên Các đại lượng trên được xác định bởi nhiều yếu 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

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 hơnhẳn 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 hơn cáp kim loại khi cùng chi phíxây dựng mạng

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 hay nhựa tổng hợpnên nguồn nguyên liệu rất dồi dào rẻ tiền Sợi có đường kính nhỏ, 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 x uất cũng như lắp đặt và bảodưỡng Không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ, không dẫn điện, không gây chập, cháy

7

Trang 8

5 Tín hiệu truyền trong sợi quang không chịu ảnh hưởng của nhiễu từ trường bênngoài (như sóng vô tuyến điện, truyền hình, ảnh hưởng của cáp điện cao thế ) dẫn đếntính bảo mật thông tin cao, không bị nghe trộm Nó được sử dụng tại những nơi có nhiễuđiện từ mạnh như trong các nhà máy, nhà máy điện…mà không cần phải che chắn điệntừ.

6 Một cáp sợi quang có cùng kích cỡ với cáp kim loại thì có thể chứa được một sốlượng 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 trên sợi quang là rấtkhó 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 rãitrên mạng lưới viễn thông của nhiều quốc gia Chúng được xây dựng làm các tuyến đườngtrục, trung kế, liên tỉnh Tại Việt Nam cáp quang đã và đang lắp đặt với tuyến truyền dẫnđường dài liên tỉnh dùng cáp ngầm

Tốc độ các hệ thống thông tin quang sẽ là mũi đột phá về cự ly truyền dẫn và cấu hìnhlinh hoạt cho các dịch vụ viễn thông cấp cao trong mạng lưới viễn thông

Trang 9

CHƯƠNG 1: SỢI QUANG

1.1. Những ứng dụng của sợi quang

Cùng với sự phát triển không ngừng về thông tin viễn thông, hệ thống truyền dẫn

quang – truyền tín hiệu trên sợi quang đã và đang phát triển mạnh mẽ ở nhiều nước trên thếgiới Do có nhiều ưu điểm hơn hẳn các hình thức thông tin khác về dung lượng kênh truyền,tính kinh tế,…mà thông tin quang giữ vai trò chính trong việc truyền tín hiệu ở các tuyếnxuyên đường trục và các tuyến xuyên lục địa, xuyên đại tây dương Công nghệ ngày nay đãtạo ra thông 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 đơn giản việc tăngchiều dài của toàn tuyến thông tin quang, kết hợp với công nghệ khuếch đại quang ra đời sẽlàm 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

Ở nước ta thông tin sợi quang đang ngày càng chiếm vị trí quan trọng, các tuyến cápquang được hình thành, đặc biệt là tuyến cáp quang Hà Nội – Hồ Chí Minh chiếm một vị tríquan trọng trong thông tin toàn quốc

Trong tương lai mạng cáp quang sẽ được xây dựng rộng khắp Tuyến đường trục cápquang sẽ được rẽ nhánh tới các tỉnh, huyện, và xây dựng tuyến cáp 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

- Đường trung kế

- Đường cáp thả biển liên quốc gia

- Đường truyền số liệu, mạng LAN

- Mạng truyền hình

1.2. 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

9

Trang 10

- 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 giữa 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 loại cùng dung lượng và cựly

1.3. Lý thuyết chung về sợi dẫn quang

Trong hệ thống thông tin quang, thông tin được truyền tải bằng ánh sáng Trong phầnnày, chúng ta sẽ nghiên cứu tới các đặc tính của ánh sáng vì rất cần thiết để hiểu được sự lantruyền của ánh sáng trong sợi quang và nguyên lý của dao động laser Ba vấn đề sau sẽ là cơ

sở lý thuyết cho việc hình 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

1.3.1 Phổ của sóng điện từ

Các bức xạ điện từ nói chung có cùng bản chất tự nhiên và có thể xem như sóng hoặchạt (photon) Tính chất sóng hoặc hạt nổi bật trong từng vùng Đặc trưng cơ bản của cácnguồn bức xạ điện từ là dải phổ bức xạ của nó, tức là một dải tần số của các dao động điện từhay còn gọi là sóng điện từ được sinh 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 với bước sóng từ800nm đến 1600nm Đặc biệt có ba bước sóng thông dụng là 850nm, 1300nm và 1550nm

Trang 11

Hình 1.2: 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 càng lớn thì độ suyhao càng lớn Song qua đặc tuyến suy hao của sợi quang 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 đang được 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 khai thác được các ưuđiểm của cáp sợi quang

1.3.2 Chiết suất của môi trường

Chiết suất của môi trường được xác định bởi tỷ số của vận tốc ánh sáng trong chânkhông 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

11

Trang 12

1 n2 n1 2

2

1 T

P

n2 P

T 2

Vùng phản xạ toàn phần

a) (b)

Chiết suất của môi trường phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng truyền cho nó

1.3.3 Hiện tượng phản xạ ánh sáng toàn phần

Cho một tia sáng đơn sắc đi từ môi trường có chiết suất n1 sang môi trường thứ hai có

chiết suất n2 (n1<n2) như hình vẽ sau:

Hình 1.3 : Hiện tượng phản xạ ánh sáng toàn phần

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

Góc αt được gọi là góc tới hạn, độ lớn của góc tới hạn phụ thuộc vào độ chênh lệch chiếtsuất giữa hai môi trường và khi tia tới với góc α >αt thì tia phản xạ tại mặt phân cách trở lạimôi trường 1

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

Trang 13

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

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

1.4 Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

1.4.1 Nguyên lý truyền dẫn chung

Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo gồm một lõi (core) bằngthuỷ tinh có chiết suất n1 và một lớp bọc (cladding) bằng thuỷ tinh có chiết suất n2 với n1 > n2ánh sáng truyền trong lõi sợi quang sẽ phản xạ nhiều lần (phản xạ toàn phần) trên mặt tiếpgiáp giữa lõi và lớp vỏ bọc

Hình 1.4 : Nguyên lý truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

Ta đã biết điều kiện xảy ra hiện tượng toàn 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 chỉ còn điều kiện là góctới αt phải lớn hơn góc tới hạn α th (α t >α th) Nên người ta đưa ra khái niệm gọi là khẩu độ số

NA (Numerical Aperture) nghĩa là khả năng ghép luồng bức xạ quang vào sợi

Trang 14

=

−

=α

⇒

−

=α

−

=α

2.nnnSin

NA

nnn

n1.nSin

n

n1Sin

1Cos

1

2 1

2 2 th

2 1

2 2 2

1

2 2 1

th

2 1

2 2 t

2 t

Với

2 1

2 2

2 1n.2

∆

=

αth arcsin n1 2

1.4.2 Sự lan truyền các mode trong sợi quang

Theo quan điểm truyền dẫn sóng điện từ muốn biết được bản chất thực của các quá trìnhtruyền dẫn ánh sáng, cần phải giải phương trình sóng Một mode được hiểu là một trạng tháidao động điện từ ứng với nghiệm của phương trình sóng và số lượng các mode có quan hệ vớicác sóng điện từ đơn thoả 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 haocao và các mode rò có đặc tính của cả hai loại mode trên Dĩ nhiên khi đưa ánh sáng vào sợiquang thì phần lớn năng lượng tập trung trong ruột sợi, còn phần năng lượng rò ra vỏ tạo ramode vỏ và mode rò bị dập tắt ngay Người ta chú ý đến các mode được truyền dẫn trong ruộtsợi và các mode 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 sóng của các mode đềuphải tuân theo điều kiện λ > λg.

Trang 15

n2 n1

∆α

Hình 1.5: 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 khác nhau nên sợi chạytheo nhiều đường zích zắc khác nhau (a) hoặc dạng hình sin (b)với chiều dài khác nhau và cómột mode chạy song song trục có quãng đường đi ngắn nhất (c) Ánh sáng lan truyền trong

15

Trang 16

lõi phải thoả mãn điều kiện phản xạ toàn phần có nghĩa là ánh sáng đưa vào sợi phải nằmtrong một hình nón có nửa góc mở αth

Sợi SI có

2 2

2 1 1

k

405 , 2

n d M

= α

Sợi GI có

2 1

a

r(1 2.n

=α

Mà như ta biết khẩu độ số NA = Sinαth

Như vậy sợi SI có

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

Theo hình 1-5 ta không thể mô tả đặc trưng của các mode vì thực tế không phải tất cả cáctia sáng đi vào lõi trong phạm vi góc mở cho phép đều được lan truyền đến cuối sợi Do bảnthân 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 một sóng khác, hoặc haisóng lệch pha nhau một nửa bước sóng, còn nếu hai bước sóng có đỉnh gặp đỉnh thì sẽ càngtăng cường chạy đến cuối đường sợi mà ta gọi là các mode

Về phương tiện truyền sóng, có thể nói mode được đặc trưng bởi sự phân bố cường độ ánhsáng trên mặt cắt ngang của sợi và được lan truyền với tốc độ xác định

Trang 17

Xa hơn nữa, xét về phương diện truyền dẫn thì mode sẽ trở thành tải tin khi điều biến, nhưthế trên sợi đơn mode có một tải tin còn trên sợi đa mode thì có rất nhiều tải tin, mỗi tải tinứng với một bước sóng nhất định.

1.5 Phân loại sợi quang

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

Bảng 1: Bảng phân loại sợi theo các tiêu chí khác nhau

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

1.5.1.1 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 vỏ bọc khác nhau mộtcách rõ rệt như hình bậc thang Các tia sáng từ nguồn quang phóng vào đầu sợi với góc tớikhác nhau sẽ truyền theo các đường khác nhau

17

Phân loại sợi theo chỉ số chiết suất

Sợi có chỉ số chiết suất phân bậcSợi có chỉ số chiết suất Gradien

Phân loại theo mode truyền dẫn

Sợi đơn modeSợi đa mode

Phân loại theo cấu trúc vật liệu

Sợi thuỷ tinhSợi chất dẻoSợi thuỷ tinh đa thành phần

Phân loại dựa theo các chức năng đặc

biệt

Sợi lỗ không khíSợi duy trì phân cực

17

Trang 18

2 1 max

Trang 19

- Tán sắc mode trong sợi GI là lớn => ảnh hưởng tới việc mang dung lượng thông tin củasợi.

Ở đây n1 không đổi mà chiều dài đường truyền khác nhau nên thời gian truyền sẽ khácnhau trên cùng một chiều dài sợi Điều này dẫn tới một hiện tượng khi đưa một xung ánhsáng hẹp vào đầu sợi lại nhận được một xung ánh sáng rộng hơn ở cuối sợi Đây là hiên tượngtán sắc, do độ tán sắc lớn nên sợi SI không thể truyền tín hiệu số tốc độ cao qua cự ly dàiđược Nhược điểm này có thể khắc phục được trong loại sợi có chiết suất giảm dần

1.5.1.2 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 thay đổi một cách liêntục nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong dần

Hình 1.8 : Sợi GI ( Graded - Index)

; )

1 (

a r

; ) / ( 1 )

(

2 1

1

n n

a r n

Trang 20

a - bán kính lõi, α là hệ số mặt cắt xác định dạng biến đổi chiết suất trong lõi, α = 2 ơng ứng với mặt cắt parabol.

1.5.2 Các dạng chiết suất khác

Hai dạng chiết suất SI và GI được dùng phổ biến, ngoài ra còn có một số dạng chiết suấtkhác 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 phải tiêm nhiều tạp chấtvào, điều này làm tăng suy hao Dạng giảm chiết suất lớp bọc nhằm đảm bảo độ chênh lệchchiết suất ∆ nhưng có chiết suất lõi n1 không cao

Hình 1.9: Dạng giảm chiết suất lớp bọc

Trang 21

b Dạng dịch độ tán sắc:

Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang triệt tiêu ở bước sóng gần 1300nm Người ta có thểdịch điểm độ tán sắc triệt tiêu đến bước sóng 1550nm bằng cách dùng sợi quang có dạng chiếtsuất như hình vẽ:

Hình 1.10 : Dạng dịch độ tán sắc c) Dạng san bằng tán sắc:

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

Hình 1.11 : Dạng san bằng tán sắc

Dạng chiết suất này quá phức tạp nên mới chỉ được nghiên cứu trong phòng thínghiệm chứ chưa đưa ra thực tế

1.5.3 Sợi đa mode và đơn mode

1.5.3.1 Sợi đa mode (MM: Multi Mode)

Sợi có thể truyền được nhiều mode (coi mỗi mode là một tia sáng ứng với một góc lantruyền cho phép)

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

- Đường kính lõi: d = 2a = 50µm

21

Trang 22

- 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

Trang 23

% 1

125m

n2

n1

n2 n1

Trang 24

Hình 1.12 : Các thông số của sợi đa mode

1.5.3.2 Sợi đơn mode ( SM: SingleMode )

Cấu trúc của sợi dẫn quang đơn mode dựa trên cơ sở kích thước của đường kín lõi và

sự khác nhau nhỏ về chỉ số chiết suất giữa lõi và vỏ sợi Kích thước đường kính lõi sợikhoảng vừa bước sóng Trong sợi chỉ truyền một mode sóng nên độ tán sắc do nhiều đườngtruyền bằng không và sợi đơn mode có dạng phân bố chiết suất nhảy bậc

Đặc điểm của sợi đơn mode:

- Mặt cắt chiết suất thường có dạng SI

- Kích thước sợi bé, độ lệch chiết suất nhỏ

- Sợi chỉ truyền một mode

- Không có tán sắc mode

- Để hiểu đặc tính truyền ánh sáng trong sợi đơn mode phải sử dụng lý thuyết truyền sóng

- Điều kiện đơn mode V < 2,405

Trang 25

n1 n2

=0,3%

L

Z

Hình 1.13 : Các thông số của sợi đơn mode

Các thông số của sợi đơn mode thông dụng là:

Đường kính lõi: d = 2a =9µm ÷ 10µm

Đường kính lớp bọc: D = 2b = 125µm

Độ lệch chiết suất: ∆ = 0,003 = 0,3%

Độ tán sắc của sợi đơn mode rất nhỏ, đặc biệt ở bước sóng λ = 1300 nm độ tán sắc củasợi đơn mode rất thấp ( ~ 0) Do đó dải thông của sợi đơn mode rất rộng Song vì kích thướclõi sợi đơn mode quá nhỏ nên đòi hỏi kích thước của các linh kiện quang cũng phải tươngđương và các thiết bị hàn nối sợi đơn mode phải có độ chính xác rất cao Các yêu cầu nàyngày nay đều có thể đáp ứng được do đó sợi đơn mode đang được sử dụng rất phổ biến

1.6 Các thông số của sợi quang

1.6.1 Suy hao của sợi quang

Công suất trên sợi quang giảm dần theo hàm số mũ tương tự như tín hiệu điện Sự thay đổi

công suất quang trung bình truyền trong sợi tuân theo định luật Beer

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

25

Trang 26

P0 : công suất ở đầu sợi (z = 0)

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

)0(ln

1

L P

P L

km dB

2

1lg 10 )

P1 = P0 : công suất đưa vào đầu sợi

P2 = P(L) : công suất ở cuối sợi

) (

) ( )

/

(

Km L

dB Km

A: suy hao của sợi

L: chiều dài sợi

1.6.2 Các nguyên nhân gây suy hao trên sợi quang

Trang 27

Công suất truyền trong sợi bị thất thoát do sự hấp thụ của vật liệu, sự tán xạ ánh sáng

và sự khúc xạ qua chỗ sợi bị uốn cong

1.6.2.1 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 một trong nhữngnguồn 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 độ hấp thụ của tạp chất phụ thuộc vào nồng

độ tạp chất và bước sóng ánh sáng truyền qua nó Để có sợi quang có độ suy hao dưới1dB/Km cần phải có thuỷ tinh 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 cũng tạo ra một độsuy hao hấp thụ đáng kể Đặc biệt độ hấp thụ tăng vọt ở các bước sóng gần 950nm, 1240nm,1400nm Như vậy độ ẩm cũng là một trong nhưng 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) để giảm độ hấp thụ của nó

Đỉnh hấp thụ chính (cộng hưởng dao động) tại 2,7 µm và các đỉnh hấp thụ 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.

Trang 28

Do bản chất vô định hình của thuỷ tinh các cộng hưởng này ở dạng các dải hấp thụ có đuôidài mở rộng vào vùng nhìn thấy.

Hấp thụ thuần trong dải 0.8-1.6 µm < 0,1 dB/km

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

Quan trọng: Sự thăng giáng mật độ dẫn đến các thăng giáng ngẫu nhiên của chiết suất n cỡ

< bước 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 bọc tia sáng sẽ bịtán xạ Lúc đó một tia tới sẽ có nhiều tia phản xạ với các góc phản xạ khác nhau, những tia cógóc 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 lại trong giai đoạn làmnguội sợi hay những chỗ hàn nối sợi quang không chuẩn Kích thước của các chỗ không đồngnhất 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

Trang 29

αR = 0.12 - 0,16 dB/km tại 1,55 µm

1.6.2.3 Suy hao do sợi bị uốn cong

Suy hao do uốn cong sợi là suy hao ngoài bản chất (không cố hữu) Khi bất kỳ một sợidẫn quang nào bị uốn cong theo một đường cong có bán kính xác định thì sẽ có hiện tượngphát 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 cong có bán kính uốn cong lớn tương đương hoặc lớn hơn

Trang 30

- Ở sợi đa mode: Số lượng mode truyền dẫn trong sợi bị uốn cong nhỏ hơn sợi thẳng.

2

3 2

2

2 1

kR n R

a N

Neff

α α

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 nén không đều lên

bề mặt

- Để giảm suy hao vì uốn cong bọc thêm lớp đệm chịu nén bằng polyme

- Đối với sợi SM chọn tham số V sát với giá trị cắt V = 2,0 - 2,4

1.6.2.4 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 trường hidrogen và chiếu xạ gamma

1.6.2.5 Đặc tuyến suy hao

Tổng hợp các loại suy hao trong sợi và biểu diễn một tương quan theo bước sóng người tanhận được phổ của sợi Mỗi loại sợi có đặc tính suy hao riêng Một đặc tuyến điển hình củaloại sợi đơn mode như hình 1.15

Nhìn vào hình 1.15 ta thấy có ba vùng bước sóng suy hao thấp nhất, còn gọi là ba cửa

sổ suy hao

Trang 31

Hình 1.15: 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

* 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 sóng1300nm Nhưng với loại sợi có dạng phân bố chiết suất đặc biệt có thể giảm độ tán sắc ởbước 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

Hấp thụ do tạp chất

31

Trang 32

0 S E t

P

AS

E P

0

1.6.3 Tán sắc (Dispersion)

Khi truyền dẫn các tín hiệu Digital quang, xuất hiện hiện tượng giãn xung ở đầu thu,thậm chí trong một số trường hợp các xung lân cận đè lên nhau Khi đó không phân biệt đượccác xung với nhau nữa, gây nên méo tín hiệu khi tái sinh Hiện tượng giãn xung này gọi làhiện tượng tán sắc Đối với tín hiệu Analog thì ảnh hưởng của tán sắc làm biên độ tín hiệu ởđầu thu giảm nhỏ và có tín hiệu dịch pha

Hình 1.17: 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 của sợi bởi vì để thuđược chính xác các xung thì phải chờ khi xung thứ nhất kết thúc, xung thứ hai mới đến

Nếu hai xung liên tục được phát với tần số rất lớn, ở đầu thu bị giãn rộng đè lên nhaudẫn tới thu sai

Ta thử xem xét ví dụ ở hình trên coi các xung phát và thu có dạng phân bố Gauss gầnđúng, xung 1 là xung phát, xung 2 là xung thu Độ rộng xung ở giá trị biên độ 0,5 (mức 3dB)

là τs,τ e

Độ giãn xung là

2 e

2

s − τ τ

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

) 36 , 0 / exp( 2 2 max

τ

t P

Trang 33

Sau khi truyền qua sợi quang Coi gần đúng như một bộ lọc thông thấp Gauss tại mức suyhao 3 dB, độ rộng băng truyền dẫn B có quan hệ với τ như sau:

τ

26,2

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 ảnhhưởng lẫn nhau Để truyền dẫn 2 bit/s thì về lý thuyết có độ rộng bằng khoảng 1 Hz nhưngtrên thực tế cần 1,6Hz cho nên ta có thể nói rằng tốc độ bit/s lớn nhất của sợi quang bằng độrộng băng tần truyền dẫn Từ đó, để sợi cho phép truyền được các luồng bit tốc độ cao hay là

có băng tần rộng cần phải giảm ảnh hưởng của hiện tượng tán sắc đến mức thấp nhất thôngqua chọn loại sợi hoặc chọn các tham số cấu trúc tối ưu của sợi

1.6.4 Các nguyên nhân gây ra tán sắc

1.6.4.1 Tán sắc mode (Mode Despersion)

Nguyên nhân:

- Sợi truyền nhiều mode

- Mỗi mode truyền có vận tốc nhóm khác nhau (mỗi mode có hằng số lan truyền khácnhau)

⇒ Lệch thời gian truyền gây ra tán sắc mode

33

Trang 34

Độ tán sắc của mode phụ thuộc vào dạng phân bố chiết suất của sợi đa mode thông qua số

mũ 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 tán sắc mode : Vớichiều dài sợi quang là L, chiết suất n1, n2 ; Giả sử có hai tia đi vào sợi quang, tia thứ nhất điđoạn đường dài hơn, tia thứ hai đi đoạn đường ngắn hơn, ta có:

C

n.Lt

n.C

n.Lt

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:

với