Nghiên cứu công nghệ sợi quang mới trong hệ thống thông tin quang

LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới th.s Nguyễn Thanh Vân, giáo viên hướng dẫn trực tiếp cho em, nhiệt tình hướng dẫn bảo cho em trình làm đồ án Em xin chân thành cảm ơn thầy cô ngành điện tử viễn thông trường Đại học Hàng Hải Việt Nam dạy dỗ, bảo tận tình cho chúng em có móng kiến thức chuyên ngành vững hướng dẫn, giúp đỡ thầy cô khoa Điện- Điện tử Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình bạn bè động viên giúp đỡ em suốt trình làm đồ án tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng, ngày 20 tháng 11 năm 2015 Sinh viên thực Trần Thị Vân i LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan nội dung đồ án tốt nghiệp “ Nghiên cứu công nghệ sợi quang hệ thống thông tin quang” em thành tìm hiểu, chắt lọc mình, khơng chép cơng trình đồ án trước Nếu sai với lời cam đoan em xin hoàn toàn trách nhiệm hình thức kỷ luật Khoa nhà trường ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỘT SỐ TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN v DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .vii LỜI NÓI ĐẦU CHƢƠNG I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 1.1 Giới thiệu chung hệ thống thông tin quang 1.1.1.Sự đời phát triển hệ thống thông tin quang 1.1.2 Ưu, nhược điểm hệ thống thông tin quang: 1.1.3 Ứng dụng 1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin quang 1.2.1 Cấu trúc 1.2.2 Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang điều chế trực tiếp (IM/DD) 1.2.3 Hệ thống thông tin quang coherent 1.3 Các tham số hệ thống thông tin quang 10 1.3.1.Tham số điện quang 10 1.3.2 Tham số quang 11 1.4 Các phần tử quang- điện hệ thống thông tin quang 11 1.4.1 Nguồn quang 11 1.4.2 Các phần tử tách sóng quang 13 CHƢƠNG II : SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG 16 2.1 Sợi quang 16 2.1.1.Cấu trúc sợi quang 16 2.1.2.Nguyên lý truyền dẫn sợi quang 16 iii 2.1.3 Phân loại 18 2.1.4 Phương thức truyền lan sợi quang loại sợi quang điển hình 18 2.1.5 Các yếu tố ảnh hưởng tới truyền lan sợi quang 22 2.1.5.1 Suy hao 22 2.1.5.2 Tán sắc 24 2.1.5.3 Các hiệu ứng phi tuyến 27 2.2 Cáp quang 28 2.2.1 Cấu trúc cáp quang 28 2.2.2 Phân loại 28 2.2.3.Một số loại cáp quang điển hình 29 CHƢƠNG III: CÔNG NGHỆ SỢI QUANG MỚI TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG 32 3.1 Giới thiệu chung công nghệ sợi quang 32 3.2 Khái quát sợi quang tinh thể (PCFs) 33 3.2.1 Sự đời sợi quang tinh thể 33 3.2.2 Cấu trúc sợi quang tinh thể 35 3.2.3 Cách thức truyền dẫn PCFs 35 3.2.4Phân loại số đặc tính sợi quang tinh thể 36 3.2.5 Phương pháp chế tạo sợi quang tinh thể 37 3.2.6 Ứng dụng sợi PCFs 38 3.3 Một số sợi quang tinh thể điển hình 38 3.3.1 Sợi quang tinh thể có lõi chiết suất cao 38 3.3.2 Sợi quang tinh thể lõi chiết suất thấp 43 3.3.3 Sợi với tính chất đặc biệt 44 KẾT LUẬN 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 iv MỘT SỐ TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN KĐCS Khuếch đại công suất SQ Sợi quang KĐ Khuếch đại SM Single mode -Sơi quang đơn mode MM Multiple - Sợi quang đa mode SI Step index - Chiết suất nhảy bậc GI Graded Index - Chiết suất biến đổi PCFs Photonic crystal fibers - Sợi quang tinh thể GVD Group velocity dispersion – Tán xạ vận tốc nhóm v DANH MỤC CÁC BẢNG Số bảng Tên bảng Trang Bảng 1.1 So sánh cáp quang cáp đồng vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Số hình Hình 1.1 Hình 1.2 Tên hình cấu hình hệ thống thơng tin quang Sơ đồ khối hệ thống thông tin quang điều chế trực Trang tiếp Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ thống thơng tin quang coherent Hình 1.4 Cấu trúc APD 14 Hình 2.1 Cấu trúc sợi quang 16 Sự phản xạ khúc xạ ánh sáng 17 Hình 2.2 Ánh sáng truyền sợi đơn mode 19 Hình 2.3 Ánh sáng truyền sợi MM - SI 20 Hình 2.4 Hình 2.5 Ánh sáng truyền sợi MM – GI 21 Hình 2.6 Sự suy hao hấp thụ ion OH ( với nồng độ 10-6) 23 Hình 2.7 Suy hao tán xạ 23 vii Hình 2.8 Sự dãn rộng xung ánh sáng 24 Hình 2.9 Tán sắc mod thay đổi theo chiết suất 25 Hình 2.10 Mặt cắt cáp quang 28 Hình 2.11 Cáp băng dẹt 30 Hình 2.12 Cáp thả lỏng ống 30 Hình 2.13 Cáp treo 31 Hình 2.14 Cáp đặt nhà 31 Hình 3.1 Mặt cắt sợi quang tinh thể ( PCFs ) 35 Hình 3.2 Sợi PCFs lõi chiết suất cao với mạng lục giác 38 Đường tần số định mức 𝜦/𝝀của sợi PCFs có tinh Hình 3.3 thể quang mạng tam giác với d/ 𝜦 = 0.23 40 Suy hao uốn cong sợi PCFs với mạng tinh Hình 3.4 thể quang tam giác 42 Hình 3.5 sợi quang tinh thể lõi chiết suất thấp 43 Hình 3.6 Mặt cắt sợi PCFs lõi đôi mạng vuông 45 viii Hinh 3.7 PCFs lưỡng chiết cao 46 Hình 3.8 Khái niệm sợi Fresnel 48 ix LỜI NĨI ĐẦU Hệ thống truyền dẫn thơng tin quang hệ thống thông tin ứng dụng nhiều lĩnh vực thông tin nay, đặc biệt ngành điện tử viễn thông So với hệ thống thơng tin khác hệ thống thơng tin quang với nhiều ưu điểm : suy hao thấp, dải thông rộng, không chịu can nhiễu sóng điện từ hay yếu khác mơi trường bên ngồi Hệ thống thơng tin quang có ưu điểm vượt trội sợi quang môi trường truyền dẫn hệ thống Ngày nay, với phát triển cao khoa học- công nghệ nên sợi quang nghiên cứu để phát triển lên hệ sợi quang có nhiều ưu điểm vượt trội nữa, để sợi quang môi trường truyền dẫn lý tưởng lĩnh vực truyền dẫn thơng tin.Vì vậy, đề tài tốt nghiệp mình, em sâu tìm hiểu : „’Công nghệ sợi quang hệ thống thông tin quang” Đồ án tốt nghiệp em gồm nội dung sau :  CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG  CHƢƠNG II: SỢI QUANG VÀ CÁP QUANG  CHƢƠNG II: CÔNG NGHỆ SỢI QUANG MỚI TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG đến có mode truyền đi.Mode mode có đường kính nhỏ gần kích thước lỗ khuyết Năm 1996, sợi quang tinh thể dẫn ánh sáng đưa với lõi rắn, mạng sợi nhỏ chứa khơng khí, tâm thay Nếu tâm lỗ khuyết chèn tâm sợi nhỏ chứa khơng khí mà đường kính khác so với sợi khác ta vùng dải cấm quang tử ( PBG ) Sự định hướng ánh sáng xem cách dẫn electron vật lý chất rắn Năm 1997 ánh sáng dẫn lỗ khuyết chứa khơng khí đưa (hollow core PGB guidance) Một vài tâm sợi nhỏ từ cấu trúc mạng lục giác bỏ lại lỗ rộng chứa đầy khơng khí Những lõi khơng khí phân bố tuần hồn có cấu trúc tinh thể quang tử hai chiều có số mạng tương đương với bước sóng ánh sáng Trong cấu trúc tinh thể quang tử hai chiều tồn dải vùng cấm ngăn cản ánh sáng truyền dải tần số xác định Nếu cấu trúc tuần hoàn bị lỗi với lỗ khuyết ( thiếu lõi chứa khơng khí lõi chứa khơng khí rộng ) Một vùng đặc biệt với đặc điểm quang học khác tạo từ tinh thể quang tử Vùng lỗ khuyết tạo mode với tần số nằm dải vùng cấm quang tử , ngăn cản sóng xuyên sâu vào tinh thể quang tử Những mode giới hạn phần lớn lỗ khuyết dẫn chúng dọc theo sợi Khi giải vùng cấm sử dụng để giam ánh sáng lõi , đòi hỏi miền lỗ khuyết phải có chiết suất lớn miền xung quanh.”[4] 3.2.4 Phân loại số đặc tính sợi quang tinh thể a Phân loại Sợi quang tinh thể chia làm hai loại lớn là: Sợi quang tinh thể có lõi chiết suất cao ( high index core fibers ) sợi quang tinh thể có lõi chiết suất thấp ( low index core fibers ) b Một số đặc tính 36 - Sợi quang tinh thể luôn đơn mode - Là sợi phi tuyến - Độ chênh lệch chiết suất thấp - Sợi trì phân cực - Khẩu độ số (NA) có giá trị khác từ thấp dến khoảng 0.9 - Tính chất tán sắc tối ưu hóa,… 3.2.5 Phương pháp chế tạo sợi quang tinh thể Sợi quang tinh thể chế tạo phương pháp đa lớp mỏng Đây phương pháp xem kỹ thuật cấu trúc dẫn ảnh gồm bước sau: “ Đầu tiên người ta tạo ống riêng lẻ với đường kính bề dày thành ống, hình dạng mặt cắt loại thủy tinh khác Sau ống nhỏ xếp để tạo thành khối nhiều ống nhỏ có tính đối xứng, lỗ khuyết bên nhân ánh sáng thủy tinh Nếu trường hợp với sợi có dải vùng cấm quang tử lỗ khuyết lỗ có đường kính thích hợp Các khuyết đặt cấu trúc sợi, cấu trúc sợi định sẵn, nung đến nóng chảy kéo thành sợi theo hình tháp với kích thước cỡ milimet Với lỗ vị trí ống nhỏ thủy tinh tổng hợp nhiệt chiếm đầy khoảng khơng gian chúng để tạo thành sợi có đường kính thơng số cấu trúc Tiếp theo người ta lại nung nóng kéo sợi theo hình tháp với kích thước cỡ micromet tạo thành sợi hoàn chỉnh Cuối người ta bọc lớp polyme bên để bảo vệ sợi tác động học.” Với phương pháp chế tạo đa lớp mỏng để cấu trúc sợi đạt cỡ micromet cần phải ý điều chỉnh thơng số nhiệt độ nóng chảy tỷ lệ kéo dãn Sự xuất thêm lỗ khí với đường kính hình dạng khác hay lỗ khí bị méo mó 37 dẫn đến tính đối xứng.Vì q trình làm mỏng phải đòi hỏi điều khiển xác 3.2.6 Ứng dụng sợi PCFs Sợi quang tinh thể ứng dụng phổ biến lĩnh vục viễn thông đai, y học, quang phổ ngành công nghiệp, 3.3 Một số sợi quang tinh thể điển hình 3.3.1 Sợi quang tinh thể có lõi chiết suất cao Sợi quang tinh thể có lõi chiết suất cao loại sợi có lõi với chiết suất vùng phản xạ cao chiết suất vùng bao quanh cladding Hình 3.2 Sợi PCFs lõi chiết suất cao với mạng lục giác Trong cấu trúc loại sợi lỗ khí xếp theo hình khác lục giác, bát giác, thập nhị giác; theo nhiều chiều khác một, hai chiều ba chiều Sự khác dạng xếp, đường kính lỗ khí, khoảng cách lỗ khí làm nên tính chất khác sợi.Sự xếp hợp lý tạo nên sợi quang có tính chất đặc biệt Lõi loại sợi lõi đặc vật liệu sử dụng chưa pha tạp Vật liệu thường sử dụng để chế tạo sợi quang silica tinh khiết, sử dụng thủy tinh chalcogenide polyme Vùng cladding bao quanh lõi có lỗ khí xếp theo cấu trúc, 38 lỗ khí có chiết suất nhỏ so với chiết suất vùng cladding, ánh sáng bị giới hạn lại lõi đặc có chiết suất cao Sợi quang tinh thể có tính chất sợi quang thơng thường có thêm số tính chất đặc biệt khác a Đường đặc tính d / 𝛬 d / 𝛬là tỷ lệ kích thước vùng cladding ( d đường kính lỗ khí 𝛬là khoảng cách lỗ khí liền kề vòng ), d / 𝛬= ÷ 0.9 𝛬có thể nhận giá trị khoảng ÷ 20 𝜇𝑚 Ta xét đến đặc tính đường tần số định mức 𝛬/𝜆, giả sử chiết suất phản xạ vật liệu không thay đổi với hàm bước sóng Sự biến thiên đường tần số định mức sau: 39 Hình 3.3 Đường tần số định mức 𝜦/𝝀của sợi PCFs có tinh thể quang mạng tam giác với d/ 𝜦 = 0.23 Theo đồ thị ta thấy biến thiên đường tần số định mức phụ thuộc vào chiết suất hiệu dụng cladding chiết suất lõi.Chiết suất cladding phụ thuộc mạnh vào bước sóng chiết suất phản xạ lõi cố định Lõi chiết suất cao cho phép giới hạn ánh sáng với tỷ lệ 𝛽 𝑘 với mối quan hệ: 𝛽 𝑛𝑐𝑙 ,𝑒𝑓𝑓 <