LỜI NÓI ĐẦU 5 CHƯƠNG I 8 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN QUANG 8 1.1. Tiến trình phát triển của hệ thống thông tin quang. 8 1.2. Các ưu điểm và nhược điểm của hệ thống truyền dẫn cáp sợi quang. 10 a). Hệ thống truyền dẫn quang có những ưu điểm. 10 b). Nhược điểm của hệ thống truyền dẫn quang. 10 1.3. Các hệ thống truyền dẫn số bằng cáp sợi quang trong mạng viễn thông. 10 1.3.1. Hệ thống truyền dẫn bằng sợi quang, điều chế cường độ tách sóng 11 trực tiếp. 11 1.3.2. Hệ thống thông tin quang coherent. 13 1.4. Xu hướng phát triển của hệ thống truyền dẫn cáp sợi quang. 15 1.4.1. Sử dụng kỹ thuật phân kênh theo bước sóng ( wdm ). 15 1.4.2. Thực hiện các hệ thống truyền dẫn coherent và sử dụng kỹ thuật phân kênh theo tần số ( fdm – frequency division multiplex). 16 CHƯƠNG II 17 CÁC THÔNG SỐ CỦA SỢI QUANG 17 2.1. Giới thiệu cấu trúc tổng thể về sợi quang. 17 2.1.1. Lý thuyết về sợi quang. 18 a). Chiết xuất của môi trường. 19 b). Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng. 20 c). Sự phản xạ toàn phần . 20 2.1.2. Sự truyền ánh sáng trong sợi quang . 21 a). Nguyên lý truyền dẫn chung. 21 b). Khẩu độ số: ( numerical aperture ) 22 2.1.3. Hai dạng phân bố chiết suất trong sợi quang. 23 a) . Sợi quang có chiết suất phân bậc ( si : step – index ) : 24 b). Sợi quang có chiết suất giảm dần ( sợi gi : graded – index ) : 25 c). Các dạng chiết suất khác: 26 2.1.4. Sợi quang đơn mode (Single mode) và sợi quang đa mode (multi mode). 27 a). Cấu tạo sợi đa mode: 28 b). Cấu tạo sợi đơn mode: 29 2.2. Suy hao sợi quang: 30 2.2.1. Định nghĩa : 30 2.2.2. Các nguyên nhân gây suy hao trên sợi quang : 31 a). Suy hao do hấp thụ : 31 b). Suy hao do tán xạ : 33 c). Suy hao do sợi bị uốn cong : 35 d). Suy hao do hàn nối. 36 e). Suy hao ghép nối giữa sợi quang và linh kiện thu phát quang. 37 2.2.3. Đặc tuyến suy hao: 39 2.3 . Tán xạ trong sợi quang : 41 2.3.1. Hiện tượng, nguyên nhân và ảnh hưởng của tán sắc. 41 2.3.2. Mối quan hệ giữa tán xạ với độ rộng băng truyền dẫn và tốc độ truyền dẫn bit. 42 2.3.3. Các loại tán sắc : 44 a). Tán xạ vật liệu : 44 b). Tán sắc dẫn sóng : 47 c). Tán xạ mode. 48 d). Tán xạ mặt cắt: 51 e). Tán sắc tổng cộng: 52 f). Độ tán sắc của một vài loại sợi đặc biệt: 55 2.3.4. Ảnh hưởng của sự trộn mode trong sợi quang: 57 2.3.5. Sự trộn mode vừa có vừa tác dụng vừa gây hại được cụ thể như sau: 57 2.4. Các thông số hình học : 59 2.5. Yêu cầu kỹ thuật đối với cáp sợi quang: 61 CHƯƠNG III 62 MỘT SỐ CÁP SỢI QUANG 62 3.1.Ứng dụng của ống đệm trong cáp sợi quang. 62 3.1.1. Các loại ống đệm. 63 a). Một sợi ống đệm lỏng. 63 b). Ống đệm lỏng nhiều sợi. 65 3.1.2. Ống đệm chặt. 66 3.2. Cấu trúc tổng thể các loại cáp sợi quang. 67 3.2.1. Cấu trúc cáp chôn. 68 3.2.2. Cấu trúc cáp treo. 68 3.2.3. Cấu trúc cáp quang biển. 69 3.2.4. Cáp trong nhà. 70 3.3.Các biện pháp bảo vệ cáp quang. 70 3.3.1. Độ chôn sâu cáp. 71 3.3.2. Chống mối và chống chuột. 72 3.3.3. Chống ảnh hưởng của sét. 73 KẾT LUẬN 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 LỜI NÓI ĐẦU ======== Trong những năm gần đây các hệ thống thông tin phát triển mạnh mẽ hơn bao giờ hết. Trên thế giới bước vào thời đại cạnh tranh trong lĩnh vực thông tin, cùng với sự phát triển của thế giới, Việt Nam ngày càng hòa nhập và tương xứng với các nước trong lĩnh vực thông tin, viễn thông. Các mạng thông tin điển hình có cấu trúc điển hình gồm có các nút mạng được tổ chức nhờ các hệ thống truyền dẫn khác nhau như cáp đối xứng, cáp đồng trục, sóng viba, thông tin vệ tinh…Nhu cầu về truyền thông ngày càng tăng trong khi các mạng truyền dẫn như trên không thể đáp ứng được yêu cầu vì những lý do khác nhau. Cách đây 20 năm, từ khi hệ thống thông tin cáp sợi quang chính thức đưa vào khai thác trên mạng viễn thông, mọi người đều thừa nhận rằng phương thức truyền dẫn quang đã thể hiện khả năng to lớn trong công việc chuyển tải các dịch vụ viễn thông ngày càng phong phú và hiện đại của nhân loại, các hệ thống thông tin quang với những ưu điểm về băng tần rộng, có cự ly thông tin cao đã có sức hấp dẫn mạnh đối với các nhà khai thác, các hệ thống thông tin quang không chỉ đặc biệt phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lục địa, đường trục và trung kế mà còn có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt với cấu trúc linh hoạt và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai. Hệ thống thông tin quang: Tín hiệu thông tin quang được truyền dưới dạng ánh sáng. Môi trường truyền dẫn chính là sợi quang (Cáp quang được chế tạo từ sợi thủy tinh). Cáp quang đang trở thành phương tiện truyền dẫn hết sức hiệu quả trong các mạng thuê bao. Do các ưu điểm của nó hơn hẳn các phương tiện truyền dẫn khác, cáp quang ngày càng được nhiều nước trên thế giới sử dụng làm phương tiện truyền dẫn thông tin của mình, nó có phương tiện truyền dẫn tốt hơn hẳn so với hệ thống truyền dẫn qua vệ tinh, nó còn là phương tiện truyền dẫn an toàn nhất trong mọi điều kiện kể cả trong thời bình hay thời chiến tranh điện tử, nó đóng vai trò đa năng truyền dẫn dịch vụ viễn thông có chất lượng cao, đồng bộ và hiện đại như truyền số liệu phục vụ hội nghị truyền hình, truyền dữ liệu từ xa…. Cáp quang sẽ dần dần thay thế các đôi dây dẫn kim loại cồng kềnh và tốn kém. Bằng nhiều phương pháp chôn dưới đất, treo và mắc theo các cột điện lực thâm nhập đến từng gia đình, đến từng thôn, xã , phố , phường… Nó sẽ xuyên trái đất, vượt đại dương kết nối vào mạng thông tin quốc tế, truyền dẫn đa dịch vụ viễn thông phục vụ cho loài người hội nhập trên con đường phát triển kinh tế thương mại, nghiên cứu khoa học, giáo dục, văn hóa, đời sống và phục vụ mọi nhu cầu cho con người trong thời đại thông tin hiện nay và là yếu tốt chủ yếu cho sự phát triển kỹ thuật ở thế kỷ này. Từ khi ra đời cho đến nay cáp sợi quang đã chứng tỏ được những ưu điểm vượt trội so với các phương thức truyền dẫn khác như độ suy hao thấp, cho phép kéo dài trạm lặp, trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ dễ lắp đặt, hoàn toàn cách điện, không bị can nhiễu bởi trường điện từ, vật liệu chế tạo sẵn có trong tự nhiên (SiO2), giá thành thấp. Chính vì thế hệ thống truyền dẫn thông tin cáp quang đang chiếm tỷ lệ rất lớn ở nước ta. Trong vòng mười năm qua, cùng với sự vượt bậc của công nghệ điện tử , viễn thông, công nghệ sợi quang và thông tin quang đã có những tiến bộ vượt bậc, giá thành không ngừng giảm tạo điều kiện cho việc phát triển ngày càng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực thông tin, công nghệ thông tin quang đã được khai thác phổ biến trên mạng lưới hiện nay chỉ là giai đoạn sự khởi khai phá các tiềm năng của nó, như ta đã biết kỹ thuật và công nghệ thông tin quang có một tiềm năng vô cùng phong phú và công việc nghiên cứu phát triển còn đang tiến tới phía trước với một tiền đồ rộng lớn. Ngày nay cùng với sự phát triển vượt bậc của công nghệ điện tử, viễn thông, công nghệ sợi quang và thông tin quang đã có những tiến bộ vượt bậc, giá thành giảm tạo điều kiện cho việc được sử dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực thông tin. Tạo đà cho công nghệ thông tin truyền thông ngày càng phát triển hơn. Đồ án này em thực hiện nhằm mục đích tìm hiểu về các hệ thống truyền dẫn bằng sợi cáp quang, ưu điểm và nhược điểm của hệ thống và các thông số của sợi quang. Để hiểu biết đầy đủ về rõ ràng về hệ thống, tính năng của thiết bị, cách khai thác thiết bị tối ưu nhất trên cơ sở vật chất hiện có. Với mục đích đó đề tài của em được chia làm 4 chương : Chương I : Tổng quan về thông tin quang Chương II : Các thông số của sợi quang Chương III : Một số cáp sợi quang Chương IV : Một số phương pháp đo trên sợi quang. Nhờ sự giúp đỡ tận tình của thầy : Đỗ Xuân Thụ, em đã hoàn thành đồ án này. Em xin chân thành cảm ơn thầy. CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN QUANG 1.1. Tiến trình phát triển của hệ thống thông tin quang. Từ xa xưa loài người đã biết sử dụng ánh sáng để truyền thông tin nhờ tín hiệu khói hay ánh sáng phản xạ ra gương....Tiếp đó, một hệ thống thông tin điều chế rất đơn giản xuất hiện bằng cách sử dụng các đèn hải đăng, các đèn hiệu. Sau đó năm 1791 VC.Chape phát minh ra một máy điện báo quang. Thiết bị này sử dụng khí quyển như là một môi trường truyền dẫn và do đó chịu ảnh hưởng của các điều kiện thời tiết. Để giải quyết hạn chế này Marconi đã sáng chế ra máy điện báo vô tuyến có khả năng thực hiện thông tin giữa những người gửi và người nhận ở xa nhau. Ý tưởng truyền ánh sáng trong sợi thuỷ tinh có thể coi bắt nguồn từ thí nghiệm về “suối ánh sáng” của John Tydll ở anh vào thế kỷ thứ 19 (năm 1870). Người ta quan sát ánh sáng phát ra từ một nguồn sáng, có thể truyền qua một dòng nước hẹp do hiện tượng phản xạ toàn phần . Các thí nghiệm đầu tiên về truyền dẫn ánh sáng qua sợi thuỷ tinh được thực hiện ở Đức vào năm 1930. Do các sợi thuỷ tinh lúc bây giờ chỉ có một lớp chiết xuất nên dễ gãy và suy hao rất lớn . Sự phát minh laser vào đầu năm 1960 đã cho phép phát triển những ứng dụng mới trên sợi quang sau khi laser ra đời, người ta đã thực hiện những hệ thống thông tin quang thử nghiệm, lấy không khí làm môi trường truyền dẫn như thông tin bằng sóng vô tuyến. Nhưng việc truyền ánh sáng trong không khí thường bị hạn chế bởi điều kiện, hạn chế do tính truyền thẳng của tia cũng như các điều kiện thời tiết như mưa bão, sương mù, nhiệt độ thay đổi...làm cho thông tin mất ổn định hơn sóng vô tuyến. Người ta dự tính có thể truyền qua những khoảng cách xa nhờ sợi quang, nhưng suy hao của sợi quang ở thời điểm này là rất lớn ( 1000dbkm vào năm 1967 ). Do vậy ,việc sử dụng sợi quang chỉ là hạn chế ở những khoảng cách ngắn và trong phòng thí ngiệm. Vào năm 1970 người ta chế tạo thành công sợi quang bằng silic có suy hao 20 dbkm, năm 1976, hệ thống thông tin bằng sợi quang dài 10km lần đầu tiên được lắp đặt tại atlanta (Mỹ) với tốc độ 45mbits . Với những tiến bộ đạt được trong việc chế tạo các linh kiện vi điện tử , điện quang và những công nghệ mới như khuếch đại quang, ghép kênh theo bước sóng, đã giúp chúng ta thực hiện các hệ thống truyền dẫn có tốc độ đến 40 g bit s với cự li đến hàng nghìn km (tuyến sea me we 3). Các hệ thống truyền dẫn quang không những được sử dụng ngày càng nhiều trong mạng viễn thông mà còn thêm nhiều ứng dụng trong hệ thống công nghiệp và dân dụng . 1.2. Các ưu điểm và nhược điểm của hệ thống truyền dẫn cáp sợi quang. a). Hệ thống truyền dẫn quang có những ưu điểm. Độ rộng băng tần lớn (khoảng 15 thz ở nm) và suy hao thấp (0,2 – 0,25 db km ở bước sóng 1550nm). Độ rộng băng tần lớn và suy hao thấp điều này cho phép truyền dẫn tốc độ bit cao trên cự li rất xa. Sợi quang không bị ảnh hưởng của nhiễm điện từ. Tính an toàn và tính bảo mật cao do không bị rò sóng điện từ như cáp kim loại. Sợi quang có kích thước nhỏ, không bị ăn mòn bởi a xit, kiềm, nước có độ bền cao. Hệ thống truyền dẫn quang có khả năng nâng cấp dễ dàng lên tốc độ bit cao hơn bằng cách thay đổi bước sóng công tác và kỹ thuật ghép kênh. b). Nhược điểm của hệ thống truyền dẫn quang. Không truyền dẫn được nguồn năng lượng có công suất lớn, chỉ hạn chế ở mức công suất cở vài miliwat. Tín hiệu truyền bị suy hao và giãn rộng, điều này làm hạn chế cự li hệ thống truyền dẫn. Thiết bị đầu cuối và sợi quang có giá thành cao so với hệ thống dùng cáp kim loại . Hệ thống thông tin quang yêu cầu cấu tạo các linh kiện rất tinh vi và đòi hỏi độ chính xác tuyệt đối là trong việc hàn nối là phức tạp. Việc cấp nguồn điện cho các trạm trung gian là khó vì không lợi dụng luôn được đường truyền như ở trong các hệ thống thông tin điện . 1.3. Các hệ thống truyền dẫn số bằng cáp sợi quang trong mạng viễn thông. 1.3.1. Hệ thống truyền dẫn bằng sợi quang, điều chế cường độ tách sóng trực tiếp. Trong hệ thống điều chế cường độ – thu trực tiếp, người ta dùng tín hiệu điện để điều chế cường độ bức xạ của nguồn quang. Ở đầu thu và tín hiệu được tách ra trực tiếp trên diốt quang từ nguồn công xuất quang nhận được . Các hệ thống truyền dẫn hiện nay đều sử dụng nguyên lý trên hệ thống điều chế cường độ thu trực tiếp có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện do các phần tử nguồn quang, sợi quang, thu quang đều không đòi hỏi cao về các thông số, chế độ hoạt động : Bề rộng phổ, ổn định tần số, nhiệt độ, phân cực nhưng khi truyền dẫn ở tốc độ cao từ 2,5 gbits trở lên thì độ nhạy thu bị giảm mạnh, khiến cự ly trạm lặp bị hạn chế, đồng thời không tận dụng được băng tần rất rộng của sợi quang ( hàng chục nghìn ghz). Các hệ thống thông tin quang hiện nay truyền có tốc độ bit theo tiêu chuẫn phân cấp đồng bộ (sdh): 155m bits 622m bits 2500m bits và 10gbits. nhờ sử dụng các bộ khuếch đại quang, cự li các tuyến thông tin cáp sợi quang 2,5 gbits trên đất liền đạt khoảng 150 km. Với hệ thống cáp quang thả biển, người ta đã thực hiện tuyến 2,5 gbits có chiều dài 10.073km trên tuyến sử dụng 199 bộ khuếch đại quang edfa.(erbium doped fiber amplifier ). Bộ biến đổi e0 Bộ biến đổi oe cáp Cáp Cáp quang quang Thiết bị đầu cuối tuyến Thiết bị đầu cuối tuyến Hình 1.1. Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang Hệ thông tin quang gồm các thành phần chính : Khối dồn kênh tách kênh : Ghép các luồng tín hiệu có tốc độ thấp (2mbits, 34mbits, 140m bits,158mbits..) thành luồng tín hiệu có tốc độ bit cao hơn và ngược lại . Khối phát : Gồm có mạch kiều khiển, nguồn quang thực hiện việc điều biến các tín hiệu thành các tín hiệu quang để truyền vào sợi quang. Các hệ thống thông tin quang coherent trong tương lai thì áp dụng nguyên lý điều pha hoặc điều tần tín hiệu quang. Cáp sợi quang : Để truyền dẫn tín hiệu ánh sáng. Trạm lặp : Hoặc là bộ khuếch đại quang đối với tuyến có tín hiệu dài . Khối thu quang : Gồm có photodide để chuyễn tín hiệu quang thành tín hiệu điện , khối khuếch đại và khôi phục tín hiệu . Các hệ thống thông tin quang đã phát triển qua 4 thế hệ: Thế hệ 1: Sử dụng sợi quang đa chiết xuất bậc ( step index – si ) và chiết suất biến đổi ( graded index – gi ), hoạt động ở bước sóng 850nm. Linh kiện thu, phát thường được sử dụng là led và diode pin. Thế hệ 2: Sử dụng sợi quang đa mode, gi, hoạt động ở bước sóng 850nm và 1300nm. nhờ sử dụng diode laser, hệ thống thông tin cáp sợi quang thế hệ 2 có thể truyền hàng chục mbits qua cự ly vài chục km (b.l 1000mhz. km). Thế hệ 3: Sử dụng sợi quang đơn mode, hoạt động ở bước sóng 1300nm. Do sợi quang đơn mode có độ rộng băng tần cao hơn nhiều sợi quang đa mode, hệ thống thông tin cáp sợi quang thế hệ 3 có thể truyền tốc độ hàng trăm mbits qua cự ly thông tin trạm lặp tới gần 100km. Thế hệ 4: sử dụng sợi quang đơn mode , hoạt động ở bước sóng 1550nm. ở hệ thống thông tin cáp sợi quang thế hệ 4, người ta bắt đầu sử dụng các diode laser đơn mode có bề rộng phổ hẹp ( loại hồi tiếp phân bố dfbditributed feedback ), cho phép truyền tốc độ 2.5gbits qua cự ly 150 – 200km không cần trạm lặp. Trong thời gian tới, phương hướng phát triển chính của công nghệ thông tin cáp sợi quang tiếp tục phát triển hệ trong thống imdd song song với công nghệ ghép kênh theo bước sóng, thời kỹ thuật khuếch đại quang sợi ( edfa ) và kỹ thuật bù tán sắc. mục đích là tăng tốc độ truyền dẫn lên hàng chục gbits và cự ly trạm lặp lên hàng trăm km. 1.3.2. Hệ thống thông tin quang coherent. Độ nhạy thu( dbm ) thu trực tiếp 40 thu coherent 60 80 102 103 104 tốc độ đường truyền ( mbits ) Hình 1.2. Sự phụ thuộc độ nhạy thu vào tốc độ đường truyền . Từ nhiều năm nay, người ta đã tiến hành nghiên cứu và thử nghiệm vể hệ thống thông tin quang coherent. các ưu điểm nổi bật của hệ thống thông tin quang coherent so với. hệ thống điều chế trực tiếp cường độ ánh sáng là : cải thiện đáng kể độ nhạy thu từ 1520db. điều này cho phép tăng cự li truyền dẫn không cần trạm lặp từ 75100km. Nâng cao năng lực truyền dẫn nhờ khả năng sử dụng kỹ thuật ghép kênh theo tần số (fdm). với kỹ thuật fdm, chúng ta có thể sử dụng một băng thông rộng khoảng 20.000ghz (ở bước sóng 1500mm1600mm). tương đương với khả năng truyền dẫn trên 120 triệu kênh thoại trên một đôi quang. Sơ đồ một hệ thống coherent có thể biểu diễn như hình vẽ: tín hiệu vào diode điều bộ khuếch đại laser chế ngoài cáp sợi quang quang điều khối thu mạch khuếch tín hiệu ra khiển quang trung tần đại và giải phân cực điều chế bộ dao động nội Hình 1.3. Sơ đồ một hệ thống thông tin quang corehent Ở đầu phát : Tín hiệu quang được điều chế trên nguyên lý dịch pha PSK Psk: hoặc khoá dịch tần fsk kỹ thuật fsk cho phép giảm độ thu xuốnh 23db, nhưng yêu cầu bề rộng phổ của nguồn phát rất hẹp (tỷ số bề rộng phổtốc độ truyền 104) trong khi kỹ thuật fsk yêu cầu tỷ số bề rộng phổ tốc độ truyền 101). Sợi quang: Sợi quang dùng trong hệ thống coherent có thể là loại sợi quang đơn mode thông thường hoặc sợi đơn bảo toàn phân cực. Nếu sử dụng sợi đơn mode thường, trước bộ thu ta cần sử dụng bộ điều chỉnh phân cực . Khối thu: Trong hệ thống coherent, khối thu được chia thành hai loại heterodyne và homodyne. Ở đầu thu, tín hiệu thu được trộn với tín hiệu dao động nội. Trong bộ thu heterodyne, tần số bộ dao động nội khác tần số của tín hiệu tới. Đối với bộ thu homodyne, tần số dao động nội trùng với tần số tín hiệu kỹ thuật thu hemodyne nhạy hơn thu hemodyne khoảng 3 db nhưng rất khó thực hiện bởi tín hiệu dao động nội phải giử đồng pha với tín hiệu thu được. Hệ thống thông tin quang kết hợp sẽ được phép truyền dữ liệu với tốc độ hàng chục gbits trở lên qua những khoảng cách rất xa nhưng chưa được sử dụng trong thực tế do những khó khăn về công nghệ chế tạo và giá thành . 1.4. Xu hướng phát triển của hệ thống truyền dẫn cáp sợi quang. Các nghiên cứu về truyền dẫn trên cáp sợi quang tập trung vào hai mục tiêu chính là tăng tốc độ truyền dẫn và cự li tăng giữa các khoảng lặp . Các hướng phát triển của kỹ thuật thông tin cáp sợi quang hiện nay là: 1.4.1. Sử dụng kỹ thuật phân kênh theo bước sóng ( wdm ). Trong hệ thống ghép kênh theo bước sóng, người ta sử dụng nhiều nguồn quang (thường là laser hồi tiếp phân bố dfb có bề rộng phổ rất hẹp ), hoạt động ở các bước sóng khác nhau. Khoảng cách giữa các kênh được chọn phụ thuộc vào sự ổn định theo nhiệt độ đối với nguồn sáng và khả năng của bộ ghép kênh tách kênh, chẳng hạn là nm. Sơ đồ hệ thống ghép kênh theo bước sóng được mô tả (hình vẽ 1.6 ). Trong khoảng từ bước sóng 1545.6nm – 1570.6nm, người ta có thể ghép được 18 kênh, nếu mỗi kênh truyền 2.5 gbits, tương đương 30 240 kênh thoại hệ thống sẽ có khả năng truyền 500 000 kênh thoại trên một đôi quang hiện nay người ta đã thực hiện được hệ thống cáp sợi quang biển truyền tốc độ 40 gbits bằng cách ghép kênh theo bước sóng 16 luồng tốc độ 2.5 gbits dbf1 1 dbf2 2 18 18 single mode fiber 10 1 = 1,527nm 18 = 1,561nm 20 2nm 30 40 50 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1,544.5 1,510.5 1,540.5 Hình 1.4. Sơ đồ hệ thống truyền dẫn ghép kênh theo bước sóng 1.4.2. Thực hiện các hệ thống truyền dẫn coherent và sử dụng kỹ thuật phân kênh theo tần số ( fdm – frequency division multiplex). Kỹ thuật FDM cung cấp khả năng truyền dẫn còn lớn hơn rất hiều so với kỹ thuật. Ghép kênh theo bước sóng. Khoảng cách giữa các kênh trong hệ thống ghép kênh theo tần số chỉ yêu cầu khoảng 5ghz ( tương đương 0.04nm ở bước sóng 1550nm), trong khi giữa các kênh trong kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng khoảng 250 ghz tức 2nm. Nếu mỗi kênh truyền tốc độ 2.5 gbits, ta có thể truyền một dung lượng tương đương 30.240 x 2500= 75,6 triệu kênh thoại trên một đôi sợi quang. CHƯƠNG II CÁC THÔNG SỐ CỦA SỢI QUANG 2.1. Giới thiệu cấu trúc tổng thể về sợi quang. Cấu trúc của sợi quang như (hình 2.1), gồm một lõi thuỷ tinh hình trụ tròn và vỏ thuỷ tinh bao quanh lõi. Lõi thuỷ tinh dùng để truyền ánh sáng, còn vỏ thuỷ tinh có tác dụng tạo ra phản xạ toàn phần tại lớp tiếp giáp lõi và vỏ. Muốn vậy chỉ số khúc xạ hay gọi là chiết suất của lõi phải lớn hơn chiết suất của vỏ. 2a d lõi vỏ Hình 2.1. Cấu trúc tổng thể của sợi quang. Tuỳ từng loại sợi mà có sự phân bố chiết suất khác nhau trong lõi sợi. Nếu chiết suất phân bố đồng đều thì được gọi là sợi chiết suất bậc, nếu sợi phân bố theo quy luật tăng dần thì gọi là sợi chiết suất giảm dần. Kích thước của sợi phụ thuộc vào loại sợi, loại thứ nhất có đường kính 2a = 50m gọi là sợi đa mode, loại thứ hai lõi có đường kính 2a 10m goi là sợi đơn mode. đường kính vỏ ( d ) của các loại sợi đều bằng 125m. Tổng hợp cả phân bố chiết suất và kích thước của lõi để chia thành ba loại sợi, đó là sợi đa mode chiết suất bậc, sợi đa mode chiết suất giảm dần, và sợi đơn mode( chiết suất bậc). 2.1.1. Lý thuyết về sợi quang. Nguyên lý lan truyền ánh sáng trong sợi quang: Có thể nói chung nhất có thể coi ánh sáng là: Một chùm các phần tử hạt rất bé được phát ra từ một nguồn sáng. Các phần tử này được hình dung như đang đi theo một đường thẳng và có thể thâm nhập vào môi trường trong suốt nhưng lại bị phản xạ khi gặp các môi trường đục. a). Chiết xuất của môi trường. Chiết xuất của môi trường được xác định bởi tỷ số của vận tốc ánh sáng truyền trong chân không và vận tốc của ánh sáng ấy . n = cv ( 2.1) n: chiết xuất môi trường , không đơn vị. c: vận tốc ánh sáng truyền trong chân không , đơn vị ms. v : vận tốc ánh sáng truyền trong môi trường , đơn vị ms. vì v c nên n 1. 1,50 1,49 1,48 ng = n 1,47 1,46 1,45 1,44 n 1,43 0,6 0,8 0,2 0,4 0,6 0,8 2,0 ( ) Hình 2.2. Sự thay đổi chiết suất n và chiết suất nhóm ng theo Chiết xuất của vài môi trường thông dụng : không khí : n = 1,00 có thể được xem bằng 1 nước : n = 1,33 thuỷ tinh : n = 1,49 1,50 Chiết xuất của môi trường phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng truyền trong nó b). Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng. Tổng quát , khi tia sáng truyền trong môi trường 1 đến mặt phân cách đến môi trường 2 thì tia sáng được tách thành hai tia mới: Một tia phản lại môi trường 1 và một tia khúc xạ vào môi trường 2 . Tia phản xạ và tia khúc xạ quan hệ với tia tới như sau : Cùng nằm trong một mặt phẳng tới ( mặt phẳng chứa tia tới và pháp uyến của mặt ngăn cách tại điểm tới ), góc phản xạ bằng góc tới : 1= 2 góc khúc xạ được xác định từ công thức snell: n1 sin1 = n2 sin 2 ( 2.2 ) tia tới pháp tuyến tia phản xạ 1 ’1 môi trường 1 : n1 1 mặt ngăn cách môi trường 2 : n2 2 2 tia khúc xạ Hình. 2.3. Hiện tượng phản xạ và khúc xạ ánh sáng. c). Sự phản xạ toàn phần . Từ công thức snell đã nêu trên ta thấy : nếu n1 < n2 thì 1>2 : tia khúc xạ gãy về phía gần pháp tuyến . nếu n1 > n2 thì 1 < 2 : tia khúc xạ gãy về phía pháp tuyến hơn. Trong trường hợp n1 > n2 nếu tăng q1 thì q2 cũng tăng và q2 luôn luôn lớn hơn q1. Khi 2 =90o, tức tia khúc xạ song song với mặt tiếp giáp, thì 1 được gọi là góc tới hạn qc. Nếu tiếp tục tăng 1> c thì không còn tia khúc xạ nữa mà chỉ còn tia phản xạ (hình 2.3). Dựa vào định luật khúc xạ ánh sáng ( công thức snell ) với 2 = 900 có thể tính được góc tới hạn c : sin c = hay c = Ví dụ : Góc tới hạn giữa thuỷ tinh ( n1 = 1,50 ) và không khí ( n2 = 1 ) được tính : sin c = = 0,66 c 410 phát tuyến Tia tới 2 3 c 1 tia phản xạ 1 1 n1 1 2 mặt ngăn cách ( n1> n2 n2 2 3 tia khúc xạ Hình 2.4. Sự phản xạ toàn phần. 2.1.2. Sự truyền ánh sáng trong sợi quang . a). Nguyên lý truyền dẫn chung. t n2 n(r) lớp vỏ n1 lớp lỏi no lớp vỏ Hình 2.5. Nguyên lý truyền ánh sáng trong sợi quang Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo thành một lõi (core) bằng thuỷ tinh có chiết xuất n1 và một lớp vỏ phản xạ (hình2.5) ánh sáng truyền trong lõi quang sẽ phản xạ đi lại nhiều lần (phản xạ toàn phần) trên mặt tiếp giáp giữa lõi và vỏ phản xạ. Do đó ánh sáng có được truyền trong sợi có cự li dài ngay cả khi sợi bị uốn cong nhưng với một độ cong có giới hạn. b). Khẩu độ số: ( numerical aperture ) Sự phản xạ toàn phần chỉ xảy ra đối với những tia sáng có góc tới ở đầu sợi nhỏ hơn góc tới hạn c (hình 2.6). sin của góc tới hạn này được gọi là khẩu độ số , ký hiệu na; na = sin c ( 2.3 ) 3 n1 b 2 a c 1 n1 max n1 n2 Hình. 2.6. Đường truyền của các tia sáng với góc tới khác nhau Áp dụng công thức snell tính na: Tại điểm a đối với tia 2: no sinmax = n1sin (90o c) mà : no = 1 (chiết xuất của không khí ). sin (90o c) = cos c sin (90o c) = = , vì sin c = do đó : na = sin max = n1 ( 2.4 ) trong đó : = : độ chênh lệch chiết suất tương đối Độ chênh lệch chiết suất tương đối có giá trị khoảng từ 0,1đến 0,3 (tức là từ 13 ).đối với sợi đa mode. 0,21,0 đối với sợi đơn mode. 2.1.3. Hai dạng phân bố chiết suất trong sợi quang. Cấu trúc chung của sợi quang bao gồm một lõi bằng thuỷ tinh có chiết suất lớn và một lớp vỏ bọc cũng bằng thuỷ tinh nhưng có chiết suất nhỏ hơn . Chiết suất trong lớp bọc không thay đổi, còn chiết suất trong lõi, nói chung thay đổi theo bán kính ( khoảng cách tính từ trục của sợi ra ). Sự biến thiên chiết suất theo bán kính được viết dưới dạng tổng quát như sau : Trong đó : n1 : chiết suất lớn nhất của lõi. n2 : chiết suất lớp bọc . : độ chênh lệch chiết suất . r : khoảng cách tính từ trục sợi đến điểm tính chiết suất . a : bán kính lõi sợi . b : bán kính lớp bọc. g : số mặc định biến thiên , g 1 . các giá trị thông dụng của g : g = 1 : dạng tam giác . g = 2 : dạng parabol. g = : dạng nhảy bậc. đường biểu diễn các dạng phân bố chiết suất như (hình 2.7). nmax=n1 n(r) g = g=1 g=2 b a 0 a b Hình 2.7. Các dạng phân bố chiết suất . a) . Sợi quang có chiết suất phân bậc ( si : step – index ) : Đây là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và lớp bọc khác nhau một cách rõ rệt như hình bậc thang . Các nguồn quang phóng vào đầu sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theo những đường khác nhau như (hình 2.8). khôngkhí b a n2 n(r) n2 < n1 o 1 n1 a n1 2 3 b n2 r n0 Hình 2.8. Truyền ánh sáng trong sợi quang si. Các tia sáng truyền trong lõi sợi cũng có vận tốc ( vì vph = cn1, ở đây n1 không đổi ) mà chiều dài đường truyền khác nhau nên thời gian truyền khác nhau trên cùng một chiều dài sợi. Điều này dẫn đến hiện tượng : Khi đưa một xung vào đầu sợi lại nhận được một xung ánh sáng rộng hơn ở cuối sợi, do hiện tượng tán sắc (dispersion ), sẽ được đề cập ở phần sau. Nói chung loại sợi này có chỉ số chiết suất đồng đều ở lõi sợi nên được gọi là sợi có chỉ số chiết suất phân bậc. Do có độ tán sắc lớn nên sợi si không thể truyền tín hiệu số tốc độ cao qua cự ly dài được. Nhược điểm này có thể khắc phục được trong loại sợi có chiết suất giảm dần. b). Sợi quang có chiết suất giảm dần ( sợi gi : graded – index ) : Hình2.9. Các tia sáng truyền trong lõi sợi đa chiết suất gradient. , (2.5) Vì chiết suất này thay đổi một cách liên tục nên các tia sáng truyền trong lõi. Bị uốn cong dần đường truyền của các tia sáng trong sợi gi cũng không bằng nhau nhưng vận tốc truyền cũng không thay đổi theo các tia truyền xa trục có đường truyền dài hơn nhưng có vận tốc truyền lớn hơn ( vph = cn ) và ngược lại, các tia truyền gần trục có đường truyền ngắn hơn nhưng vận tốc truyền lại nhỏ hơn. Tia truyền dọc theo trục có đường ngắn nhất nhưng đi với vận tốc nhỏ nhất vì chiết suất ở trục là lớn nhất. Nếu chế tạo chính xác, sự phân bố chiết suất theo đường parabol ( g =2 ) thì đường đi của tia sáng có dạng hình sin và thời gian truyền của các tia này bằng nhau. Độ tán sắc của sợi gi nhỏ hơn nhiều so với sợi si. Nói tóm lại loại sợi này có chỉ số chiết suất ở lõi giảm dần từ tâm lõi sợi ra tới tiếp giáp lõi và vỏ phản xạ gọi là sợi có chỉ số chiết suất gradien. c). Các dạng chiết suất khác: Có hai dạng chiết suất si và gi được dùng phổ biến. Ngoài ra còn có một số dạng chiết suất khác nhằm đáp ứng nhu cầu đặc biệt như : Dạng chiết suất lớp bọc ( hình 2.10a ) Trong kỹ thuật chế tạo sợi quang, muốn thuỷ tinh có chiết suất lớn phải tiêm nhiều tạp chất vào, điều này làm tăng suy hao. Dạng giảm chiết suất lớp bọc nhằm đảm bảo độ chênh lệch chiết suất nhưng có chiết suất lõi n1 không cao. Dạng dịch độ tán sắc : ( hình 2.10b ) Như sẽ phân tích sau này, độ tán sắc của sợi quang triệt tiêu ở bước sóng gần 1300nm. Người ta có thể dịch điểm có độ tán sắc triệt tiêu đến bước sóng 1500nm bằng cách dùng sợi quang có chiết suất như ( hình 2.10b). Dạng san bằng tán sắc : ( hình 2.10c ) Với mục đích làm giảm độ tán sắc của sợi quang trong một khoãng bước sóng. chẳng hạn đáp ứng cho kỷ thuật ghép kênh theo bước sóng người ta dùng sợi quang có chiết suất như (hình 2.10c). Dạng chiết suất này khá phức tạp nên hiện nay chỉ mới áp dụng trong phòng thí nghiệm cứ chưa đưa ra thực tế . a b c Hình 2.10. Các dạng chiết suất đặc biệt. 2.1.4. Sợi quang đơn mode (Single mode) và sợi quang đa mode (multi mode). Có hai hướng khảo sát truyền ánh sáng trong sợi quang : Một hướng dùng lý thuyết tia sáng và một hướng dùng lý thuyết sóng ánh sáng. Thông thường lý thuyết tia được sử dụng vì nó đơn giản, dễ hình dung. Song cũng có những khái niệm không thể dùng lý thuyết tia để diễn tả một cách chính xác, người ta phải dùng đến lý thuyết sóng. Mode là một trong những khái niệm đó. Sóng ánh sáng cũng là sóng điện từ có thể áp dụng các phương trình maxwell với điều kiện biên cụ thể của sợi quang đễ xác định biểu thức sóng truyền trong nó. Dựa trên biểu thức đã xác định có thể phân tích các đặc điểm truyền dẫn sóng. Trong khuôn khổ có hạn, ta sẽ không trình bày các bước giải phương trình mà chỉ nêu các thông số rút ra từ kết quả có liên quan . a . na = k . a . na đến đặc tuyến truyền dẫn của sợi quang. Một mode song là một trạng thái truyền ổn định của ánh sáng trong sợi. Khi truyền sợi trong ánh sáng đi theo nhiều đường, trạng thái ổn định của các đường này gọi là những mode. Có thể hình dung gần đúng một mode ứng với một tia sáng. Các mode được ký hiệu : lp v với v = 0,1,2... và = 1,2 ..mode thấp nhất là lp01. Số mode truyền được trong sợi phụ thuộc vào các thông số của sợi, trong đó có thừa số v . trong đó a : bán kính lõi : bước sóng , k là số sóng na : khẩu độ số Vậy số mode n truyền trong sợi được tính gần đúng như sau: Trong đó : v: thừa số v g : số mũ trong hàm chiết suất Số mode truyền được trong sợi chiết suất bậcsi là g: Với sợi có chỉ số chiết suất giảm dần g = 3 thì số mode là: Tóm lại : sợi có thể truyền được nhiều mode được gọi là đa mode, sợi chỉ truyền được một mode gọi là đơn mode. a). Cấu tạo sợi đa mode: Sợi đa mode có đường kính lõi và khẩu độ số lớn nên có thừa số v và số mode n lớn. Các thông số của loại đa mode thông dụng là : 125m 125m n n n1 n0 n2 n0 n2 n0 x x sợi si sợi gi Hình 2.11. Kích thước sợi đa mode . Đường kính lõi d = 2a 50 m Đường kính lớp bọc d = 2b 125 m Độ lệch chiết suất 1 Chiết suất lớn nhất của lõi n1 1,45 Sợi đa mode có thể là chiết suất bậc hoặc chiết suất giảm dần ( hình 2.11 ) b). Cấu tạo sợi đơn mode: Khi giảm kích thước lõi sợi đễ chỉ có một mode sóng cơ bản truyền được trong sợi thì sợi được gọi là sợi đơn mode. Trên lý thuyết, sợi làm việc ở chế độ đơn mode khi thừa số v < vc1 = 2,402. Vì chỉ có một mode truyền sóng truyền trong sợi nên độ tán sắc đo nhiều đường truyền bằng không và sợi đơn mode có dạng phân bố chiết suất bậc ( hình 2.12.) Các thông số của sợi đơn mode thông dụng là : Đường kính lõi d = 2a = 9 m 10m Đường kính lớp bọc d = 2b = 125 m Độ lệch chiết suất 0,3 Chiết suất lõi n1 1,45 n0 n2 n1 n 125m = 0,3 Hình 2.12. Kích thước sợi đơn mode. Độ tán sắc của sợi đơn mde nhỏ hơn nhiều so với sợi da mode ( kể cả loại sợi gi) đặc biệt ở bước sóng = 1300nm độ tán sắc của sợi đơn mode rất thấp ( gần bằng không ). Do đó , dải thông của sợi đơn mode rất rộng , song vì kích thước của sợi đơn mode quá nhỏ nên đòi hỏi kích thước của linh kiện quang cũng phải tương ứng và các thiết bị hàn nối quang cũng có độ hàn nối cao yêu cầu ngày nay đều có thể đáp ứng và do đó sợi đơn mode cũng có thể dùng phổ biến. 2.2. Suy hao sợi quang: 2.2.1. Định nghĩa : Việc truyền tín hiệu từ phía phát tới phía thu sẽ bị suy hao và méo tín hiệu, đây là hai yếu tố quan trọng, nó tác động toàn bộ quá trình thông tin, định cỡ về khoảng cách và tốc độ của tuyến truyền dẫn cũng như xác định cấu hình của hệ thống thông tin quang. Công suất quang truyền trên sợi sẽ giảm dần theo cự ly với qui luật hàm số mũ tương tự tín hiệu điện. Biểu thức tổng quát của hàm số truyền công suất có dạng : ¬ . l p ( l ) = p ( o ) 10 10 ( 2.7 ) Trong đó : p ( o ) : công suất đầu sợi ( l = o ) p ( l ) : c ông suất cự ly l ( km ) tính từ đầu : hệ số suy hao Độ suy hao của sợi được tính bởi : a ( db ) = 10 lg ( 2.8 ) Trong đó p1 = p ( 0 ) : công suất đưa vào đầu sợi p2 = p ( l ) : c ông suất ở cuối sợi ( db km ) = ( 2.9 ) Hệ số suy hao hay hệ số trung bình : Trong đó a = suy hao của sợi l = chiều dài của sợi Về nguyên lý đây không phải là giá trị tuyệt đối mà có quan hệ công suất hoặc mức , do đó phép đo đơn giản hơn. p p1 p2 l Hình 2.13. Sự suy giảm công suất của sợi quang 2.2.2. Các nguyên nhân gây suy hao trên sợi quang : Các kết quả nghiên cứu cho thấy công suất quang truyền trên sợi do bị suy hao do hấp thụ, tán xạ ánh sáng và khúc xạ qua chổ bị uốn cong. Ngoài ra còn có thể kể thêm suy hao hàn nối do hiệu suất ghép quang. a). Suy hao do hấp thụ : Sự hấp thụ do các tạp chất kim loại : Các tạp chất kim loại trong thuỷ tinh là một trong những nguồn hấp thụ năng lượng ánh sáng. Các tạp chất thường gặp là sắt( fe ), đồng ( cu ), mangan ( mn ), crôm ( cr ), coban ( co ), niken ( ni) mức độ hấp thụ của từng loại tạp chất phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và bước sóng ánh sáng truyền qua nó. Với nồng độ tạp chất một phần triệu thì độ hấp thụ của vài tạp chất được biểu diễn như hình dưới đây : ( db km) 600 500 400 mn cu 300 200 fe 100 (m) 0 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 Hình 2.14. Độ hấp thụ của các tạp chất kim loại . Như vậy đễ có được sợi quang có đọ suy hao đưới 1db km cần phải có thuỷ tinh thật tinh khiết với nồng độ tạp chất không quá một phần tỷ . Sự hấp thụ của ion oh : Sự có mặt của ion oh trong sợi quang cũng tạo ra một độ suy hao hấp thụ đáng kẻ. Đặc biệt, độ hấp thụ tăng vọt ở các bước sóng gần 9950nm, 1240nm và 1400nm. Như vậy độ ẩm cũng là một trong những nguyên nhân gây suy hao ở sợi quang. Trong quá trình chế tạo, nồng độ của các ion oh trong lõi được giữ ở mức dưới một phần tỷ để giảm độ hấp thụ của nó . ( dbkm) 3 2 1 0 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 (m) Hình 2.15. Độ hấp thụ ion oh Hấp thụ bằng cực tím và hồng ngoại : (dbkm) 100 suy hao do hấp thụ cực tím 10 1 suy hao do hấp thụ hồng ngoại 0,1 0,01 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 (m) Hình 2.16. Suy hao do hấp thụ vùng cực tím hồng ngoại Ngay khi sợi quang được chế tạo từ thuỷ tinh có độ tinh khiết cao sự hấp thụ vẫn xảy ra. Bản thân thuỷ tinh tinh khiết cũng hấp thụ ánh sáng trong vùng cực tím và vùng hồng ngoại. Độ hấp thụ thay đổi theo bước sóng như trên ( hình 2.15 ). Sự hấp thụ trong vùng hồng ngoại gây trở ngại cho khuy hướng sử dụng bước sóng dài trong thông tin quang. b). Suy hao do tán xạ : Tán xạ rayleigh : Nói chung, khi sóng điện từ truyền trong môi trường điện môi gặp những chổ không đồng nhất sẽ xẫy ra hiện tượng tán xạ. Những chổ không đồng nhất trong sợi quang do những sắp xếp của các phần tử thuỷ tinh, các khuyết tật của sợi quang như : Bọt không khí, các vết nứt...Khi kích thước của vùng không đồng nhất vào khoảng một phần mười bước sóng thì trở thành những nguồn điểm để tán xạ. Các tia sáng truyền qua những chỗ không đồng nhất này sẽ toả theo nhiều hướng. Chỉ một phần năng lượng của ánh sáng tiếp tục truyền theo hướng cũ, phần còn lại sẽ truyền theo hướng khác thậm chí truyền ngược về phía nguồn quang . Độ suy hao của tán xạ rayleigh tỉ lệ nghịch luỹ thừa bậc 4 của bước sóng nên giảm rất nhanh về phía bước sóng dài . (dbkm) 5 tx () = tx () (2.10) 4 3 2 1 0,3 0 0,7 0,8 0,9 1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 ( m ) Hình 2.17. Suy hao do tán xạ raylegh. Trong (2.10 ) tx ( o ) là hệ số tán xạ tại mỗi bước sóng mẫu o , xác định theo vật liệu chế tạo sợi. Đối với thuỷ tinh silica thì có o = 1m và tx ( o ) = 0,8db km. Ở bước sóng 850nm suy hao do tán xạ rayleigh của sợi silica khoảng 1 đến 2 dbkm và ở bước sóng 1300nm suy hao cỡ khoảng 0,3db km. Cần lưu ý rằng tán xạ rayleigh là một nguyên nhân gây ra suy hao sợi quang nhưng hiện tượng này lại được ứng dụng để đo lường các máy đo quang dội . Tán xạ do mặt phân cách giửa lỏi và lớp bọc không hoàn hảo . Khi tia sáng truyền đến những chỗ không hoàn hảo giữa lõi và lớp bọc , tia sáng sẽ bị tán xạ. Lúc đó một tia tới sẽ có nhiều tia phản xạ với các góc phản xạ khác nhau. Những tia có góc phản xạ nhỏ hơn góc tới giới hạn sẽ khúc xạ ra lớp bọc và bị suy hao dần . c). Suy hao do sợi bị uốn cong : Suy hao do sợi bị uốn cong là suy hao ngoài bản chất (không cố hữu) của sợi, khi bất kỳ một sợi quang nào bị uốn cong theo đường cong có bán kính xác định sẽ có hiện tượng phát xạ tín hiệu ánh sáng ra ngoài vỏ sợi và như vậy ánh sáng lan truyền trong lõi sợi sẽ bị suy hao. Có hai loại uốn cong trong sợi là: Vi uốn cong : Khi sợi quang bị chèn ép tạo nên những chỗ bị uốn cong nhỏ thì suy hao của sợi quang tăng lên. Sự suy hao này xuất hiện do tia sáng bị lệch trục khi đi qua những chỗ vi uốn cong đó. Một cách chính xác hơn , sự phân bố trường bị xáo trộn khi đi qua những chỗ vi uốn cong và dẫn đến sự phát xạ năng lượng ra khỏi lõi sợi. Đặc biệt sợi đơn mode rất nhạy với những chỗ vi uốn cong, nhất về phía bước sóng dài . Uốn cong : Khi sợi bị uốn cong với bán kính uốn cong càng nhỏ thì suy hao càng lớn ( hình 2.18 ) tuy nhiên không thể tránh được việc uốn cong sợi quang trong quá trình chế tạo và lắp đặt. Song nếu chúng ta giữ cho bán kính uốn cong lớn hơn một bán kính tối thiểu cho phép thì suy hao do uốn cong không đáng kể. Bán kính uốn cong tối thiểu do nhà sản xuất đề nghị, thông thường 30nm đến 50nm. Bán kính uốn cong tối thiểu được quy định: = ( 2.11 ) (dbkm) 10 1 0,1 0,01 0 10 20 30 40 50 60 r ( mn ) Hình 2.18. Suy hao do uốn cong thay đổi theo bán kính r Độ suy hao do uốn cong có thể được tính theo công thức : end = Trong đó : : độ lệch chiết suất r : bán kính uốn cong a : bán kính lõi g : tham số mặt cắt d). Suy hao do hàn nối. Khi hàn nối các sợi quang, chúng phải được nối các đầu sợi với nhau chuẩn trực. Nếu lõi hai sợi không được gắn với nhau hoàn toàn và đồng nhất thì một phần ánh sáng qua lõi này sẽ không được qua sợi bên kia hoàn toàn và bị phản xạ ra ngoài gây suy hao. Nguyên nhân chính của suy hao này là việc không đặt đồng trục hai sợi quang, do vậy tạo nên suy hao rất lớn. Nếu có một khe nhỏ nào tồn tại chỗ nối thì khe này tạo nên suy hao phản xạ, nếu độ lớn của phản xạ này lớn thì người ta gọi là phản xạ fresnel. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến đọ suy hao của mối hàn, thông thường xếp thành ba loại chính :
Đồ Án Tốt Nghiệp VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI KHOA CN ĐIỆN TỬ - THƠNG TIN CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP Họ tên giáo viên hướng dẫn: PGS TS Đỗ Xuân Thụ Họ tên sinh viên: Phạm Quang Nam Lớp: K12A Khóa: 2009 – 2013 Ngày sinh: 08 – 10 – 1991 Ngành học: Điện tử viễn thông Tên đề tài tốt nghiệp: Hệ thống thông tin quang Các số liệu ban đầu: Nội dung phần lý thuyết tính tốn: Các vẽ đồ thị: Ngày giao nhiệm vụ thiết kế : Ngày hoàn thành nhiệm vụ thiết kế: CHỦ NHIỆM KHOA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN SINH VIÊN ĐÃ HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN Viện Đại Học Mở Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG I .8 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN QUANG .8 1.1 Tiến trình phát triển hệ thống thơng tin quang 1.2 Các ưu điểm nhược điểm hệ thống truyền dẫn cáp sợi quang 10 a) Hệ thống truyền dẫn quang có ưu điểm 10 b) Nhược điểm hệ thống truyền dẫn quang 10 1.3 Các hệ thống truyền dẫn số cáp sợi quang mạng viễn thông 10 1.3.1 Hệ thống truyền dẫn sợi quang, điều chế cường độ tách sóng 11 trực tiếp 11 1.3.2 Hệ thống thông tin quang coherent .13 1.4 Xu hướng phát triển hệ thống truyền dẫn cáp sợi quang .15 1.4.1 Sử dụng kỹ thuật phân kênh theo bước sóng ( wdm ) 15 1.4.2 Thực hệ thống truyền dẫn coherent sử dụng kỹ thuật phân kênh theo tần số ( fdm – frequency division multiplex) 16 CHƯƠNG II 17 CÁC THÔNG SỐ CỦA SỢI QUANG 17 2.1 Giới thiệu cấu trúc tổng thể sợi quang 17 2.1.1 Lý thuyết sợi quang 18 a) Chiết xuất môi trường 19 b) Sự phản xạ khúc xạ ánh sáng 20 c) Sự phản xạ toàn phần 20 2.1.2 Sự truyền ánh sáng sợi quang .21 a) Nguyên lý truyền dẫn chung 21 b) Khẩu độ số: ( numerical aperture ) .22 2.1.3 Hai dạng phân bố chiết suất sợi quang 23 a) Sợi quang có chiết suất phân bậc ( si : step – index ) : 24 b) Sợi quang có chiết suất giảm dần ( sợi gi : graded – index ) : 25 c) Các dạng chiết suất khác: 26 2.1.4 Sợi quang đơn mode (Single mode) sợi quang đa mode (multi mode) .27 a) Cấu tạo sợi đa mode: 28 b) Cấu tạo sợi đơn mode: 29 2.2 Suy hao sợi quang: 30 2.2.1 Định nghĩa : 30 2.2.2 Các nguyên nhân gây suy hao sợi quang : 31 a) Suy hao hấp thụ : 31 b) Suy hao tán xạ : 33 Viện Đại Học Mở Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp c) Suy hao sợi bị uốn cong : 35 d) Suy hao hàn nối 36 e) Suy hao ghép nối sợi quang linh kiện thu phát quang 37 2.2.3 Đặc tuyến suy hao: 39 2.3 Tán xạ sợi quang : 41 2.3.1 Hiện tượng, nguyên nhân ảnh hưởng tán sắc 41 2.3.2 Mối quan hệ tán xạ với độ rộng băng truyền dẫn tốc độ truyền dẫn bit 42 2.3.3 Các loại tán sắc : 44 a) Tán xạ vật liệu : 44 b) Tán sắc dẫn sóng : .47 c) Tán xạ mode 48 d) Tán xạ mặt cắt: 51 e) Tán sắc tổng cộng: .52 f) Độ tán sắc vài loại sợi đặc biệt: .55 2.3.4 Ảnh hưởng trộn mode sợi quang: 57 2.3.5 Sự trộn mode vừa có vừa tác dụng vừa gây hại cụ thể sau: 57 2.4 Các thơng số hình học : 59 2.5 Yêu cầu kỹ thuật cáp sợi quang: 61 CHƯƠNG III 62 MỘT SỐ CÁP SỢI QUANG 62 3.1.Ứng dụng ống đệm cáp sợi quang .62 3.1.1 Các loại ống đệm 63 a) Một sợi ống đệm lỏng 63 b) Ống đệm lỏng nhiều sợi .65 3.1.2 Ống đệm chặt 66 3.2 Cấu trúc tổng thể loại cáp sợi quang 67 3.2.1 Cấu trúc cáp chôn 68 3.2.2 Cấu trúc cáp treo 68 3.2.3 Cấu trúc cáp quang biển 69 3.2.4 Cáp nhà 70 3.3.Các biện pháp bảo vệ cáp quang 70 3.3.1 Độ chôn sâu cáp 71 3.3.2 Chống mối chống chuột 72 3.3.3 Chống ảnh hưởng sét 73 KẾT LUẬN 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO .75 Viện Đại Học Mở Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp LỜI NÓI ĐẦU ====***==== Trong năm gần hệ thống thông tin phát triển mạnh mẽ hết Trên giới bước vào thời đại cạnh tranh lĩnh vực thông tin, với phát triển giới, Việt Nam ngày hòa nhập tương xứng với nước lĩnh vực thông tin, viễn thơng Các mạng thơng tin điển hình có cấu trúc điển hình gồm có nút mạng tổ chức nhờ hệ thống truyền dẫn khác cáp đối xứng, cáp đồng trục, sóng viba, thơng tin vệ tinh…Nhu cầu truyền thông ngày tăng mạng truyền dẫn đáp ứng yêu cầu lý khác Cách 20 năm, từ hệ thống thông tin cáp sợi quang thức đưa vào khai thác mạng viễn thông, người thừa nhận phương thức truyền dẫn quang thể khả to lớn công việc chuyển tải dịch vụ viễn thông ngày phong phú loại, hệ thống thông tin quang với ưu điểm băng tần rộng, có cự ly thơng tin cao có sức hấp dẫn mạnh nhà khai thác, hệ thống thông tin quang không đặc biệt phù hợp với tuyến thông tin xuyên lục địa, đường trục trung kế mà có tiềm to lớn việc thực chức mạng nội hạt với cấu trúc linh hoạt đáp ứng loại hình dịch vụ tương lai Hệ thống thông tin quang: Tín hiệu thơng tin quang truyền dạng ánh sáng Mơi trường truyền dẫn sợi quang (Cáp quang chế tạo từ sợi thủy tinh) Cáp quang trở thành phương tiện truyền dẫn hiệu mạng thuê bao Do ưu điểm hẳn phương tiện truyền dẫn khác, cáp quang ngày nhiều nước giới sử dụng làm phương tiện truyền dẫn thông tin mình, có Viện Đại Học Mở Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp phương tiện truyền dẫn tốt hẳn so với hệ thống truyền dẫn qua vệ tinh, phương tiện truyền dẫn an tồn điều kiện kể thời bình hay thời chiến tranh điện tử, đóng vai trò đa truyền dẫn dịch vụ viễn thơng có chất lượng cao, đồng đại truyền số liệu phục vụ hội nghị truyền hình, truyền liệu từ xa… Cáp quang thay đôi dây dẫn kim loại cồng kềnh tốn Bằng nhiều phương pháp chôn đất, treo mắc theo cột điện lực thâm nhập đến gia đình, đến thơn, xã , phố , phường… Nó xuyên trái đất, vượt đại dương kết nối vào mạng thông tin quốc tế, truyền dẫn đa dịch vụ viễn thơng phục vụ cho lồi người hội nhập đường phát triển kinh tế thương mại, nghiên cứu khoa học, giáo dục, văn hóa, đời sống phục vụ nhu cầu cho người thời đại thông tin yếu tốt chủ yếu cho phát triển kỹ thuật kỷ Từ đời cáp sợi quang chứng tỏ ưu điểm vượt trội so với phương thức truyền dẫn khác độ suy hao thấp, cho phép kéo dài trạm lặp, trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ dễ lắp đặt, hồn tồn cách điện, không bị can nhiễu trường điện từ, vật liệu chế tạo sẵn có tự nhiên (SiO2), giá thành thấp Chính hệ thống truyền dẫn thơng tin cáp quang chiếm tỷ lệ lớn nước ta Trong vòng mười năm qua, với vượt bậc công nghệ điện tử , viễn thông, công nghệ sợi quang thơng tin quang có tiến vượt bậc, giá thành không ngừng giảm tạo điều kiện cho việc phát triển ngày rộng rãi nhiều lĩnh vực thông tin, công nghệ thông tin quang khai thác phổ biến mạng lưới giai đoạn khởi khai phá tiềm nó, ta biết kỹ thuật cơng nghệ thơng tin quang có tiềm vô phong phú công việc nghiên cứu phát triển tiến tới phía trước với tiền đồ rộng lớn Viện Đại Học Mở Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp Ngày với phát triển vượt bậc công nghệ điện tử, viễn thông, công nghệ sợi quang thông tin quang có tiến vượt bậc, giá thành giảm tạo điều kiện cho việc sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực thông tin Tạo đà cho công nghệ thông tin truyền thông ngày phát triển Đồ án em thực nhằm mục đích tìm hiểu hệ thống truyền dẫn sợi cáp quang, ưu điểm nhược điểm hệ thống thông số sợi quang Để hiểu biết đầy đủ rõ ràng hệ thống, tính thiết bị, cách khai thác thiết bị tối ưu sở vật chất có Với mục đích đề tài em chia làm chương : Chương I : Tổng quan thông tin quang Chương II : Các thông số sợi quang Chương III : Một số cáp sợi quang Chương IV : Một số phương pháp đo sợi quang Nhờ giúp đỡ tận tình thầy : Đỗ Xuân Thụ, em hoàn thành đồ án Em xin chân thành cảm ơn thầy Viện Đại Học Mở Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp 1.1 Tiến trình phát triển hệ CHƯƠNG thống thông tin I quang TỔNG QUAN VỀ THƠNG TIN QUANG Từ xa xưa lồi người biết sử dụng ánh sáng để truyền thơng tin nhờ tín hiệu khói hay ánh sáng phản xạ gương Tiếp đó, hệ thống thơng tin điều chế đơn giản xuất cách sử dụng đèn hải đăng, đèn hiệu Sau năm 1791 VC.Chape phát minh máy điện báo quang Thiết bị sử dụng khí mơi trường truyền dẫn chịu ảnh hưởng điều kiện thời tiết Để giải hạn chế Marconi sáng chế máy điện báo vơ tuyến có khả thực thông tin người gửi người nhận xa Ý tưởng truyền ánh sáng sợi thuỷ tinh coi bắt nguồn từ thí nghiệm “suối ánh sáng” John Tydll anh vào kỷ thứ 19 (năm 1870) Người ta quan sát ánh sáng phát từ nguồn sáng, truyền qua dòng nước hẹp tượng phản xạ tồn phần Các thí nghiệm truyền dẫn ánh sáng qua sợi thuỷ tinh thực Đức vào năm 1930 Do sợi thuỷ tinh lúc có lớp chiết xuất nên dễ gãy suy hao lớn Sự phát minh laser vào đầu năm 1960 cho phép phát triển ứng dụng sợi quang sau laser đời, người ta thực hệ thống thông tin quang thử nghiệm, lấy khơng khí làm mơi trường truyền dẫn thơng tin sóng vơ tuyến Nhưng việc truyền ánh sáng khơng khí thường bị hạn chế điều kiện, hạn chế tính truyền thẳng tia điều kiện thời tiết mưa bão, sương mù, nhiệt độ thay đổi làm cho thông tin ổn định sóng vơ tuyến Người ta dự tính truyền qua khoảng cách xa nhờ sợi quang, suy hao sợi quang thời điểm lớn ( 1000db/km vào năm 1967 ) Do ,việc Viện Đại Học Mở Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp 1.2 Các ưu điểm nhược điểm hệ thống truyền dẫn cáp sợi quang sử dụng sợi quang hạn chế khoảng cách ngắn phòng thí ngiệm Vào năm 1970 người ta chế tạo thành cơng sợi quang silic có suy hao 20 db/km, năm 1976, hệ thống thông tin sợi quang dài 10km lần lắp đặt atlanta (Mỹ) với tốc độ 45mbit/s Với tiến đạt việc chế tạo linh kiện vi điện tử , điện quang công nghệ khuếch đại quang, ghép kênh theo bước sóng, giúp thực hệ thống truyền dẫn có tốc độ đến 40 g bit/ s với cự li đến hàng nghìn km (tuyến sea - me - we 3) Các hệ thống truyền dẫn quang sử dụng ngày nhiều mạng viễn thơng mà thêm nhiều ứng dụng hệ thống công nghiệp dân dụng a) Hệ thống truyền dẫn quang có ưu điểm Độ rộng băng tần lớn (khoảng 15 thz nm) suy hao thấp (0,2 – 0,25 db / km bước sóng 1550nm) Độ rộng băng tần lớn suy hao thấp điều cho phép truyền dẫn tốc độ bit cao cự li xa Sợi quang không bị ảnh hưởng nhiễm điện từ Tính an tồn tính bảo mật cao khơng bị rò sóng điện từ cáp kim loại Sợi quang có kích thước nhỏ, khơng bị ăn mòn a xit, kiềm, nước có độ bền cao Hệ thống truyền dẫn quang có khả nâng cấp dễ dàng lên tốc độ bit cao cách thay đổi bước sóng cơng tác kỹ thuật ghép kênh b) Nhược điểm hệ thống truyền dẫn quang - Không truyền dẫn nguồn lượng có cơng suất lớn, hạn chế mức cơng suất cở vài miliwat - Tín hiệu truyền bị suy hao giãn rộng, điều làm hạn chế cự li hệ thống truyền dẫn Thiết bị đầu cuối sợi quang có giá thành cao so với hệ thống dùng cáp kim loại Viện Đại Học Mở Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp 1.3 Các hệ thống truyền dẫn số cáp sợi quang mạng viễn thông - Hệ thống thông tin quang yêu cầu cấu tạo linh kiện tinh vi đòi hỏi độ xác tuyệt đối việc hàn nối phức tạp - Việc cấp nguồn điện cho trạm trung gian khó khơng lợi dụng đường truyền hệ thống thông tin điện 1.3.1 Hệ thống truyền dẫn sợi quang, điều chế cường độ tách sóng trực tiếp Trong hệ thống điều chế cường độ – thu trực tiếp, người ta dùng tín hiệu điện để điều chế cường độ xạ nguồn quang Ở đầu thu tín hiệu tách trực tiếp diốt quang từ nguồn công xuất quang nhận Các hệ thống truyền dẫn sử dụng nguyên lý hệ thống điều chế cường độ thu trực tiếp có ưu điểm đơn giản, dễ thực phần tử nguồn quang, sợi quang, thu quang khơng đòi hỏi cao thơng số, chế độ hoạt động : Bề rộng phổ, ổn định tần số, nhiệt độ, phân cực truyền dẫn tốc độ cao từ 2,5 gbit/s trở lên độ nhạy thu bị giảm mạnh, khiến cự ly trạm lặp bị hạn chế, đồng thời không tận dụng băng tần rộng sợi quang ( hàng chục nghìn ghz) Các hệ thống thơng tin quang truyền có tốc độ bit theo tiêu chuẫn phân cấp đồng (sdh): 155m bit/s 622m bit/s 2500m bit/s 10gbit/s nhờ sử dụng khuếch đại quang, cự li tuyến thông tin cáp sợi quang 2,5 gbit/s đất liền đạt khoảng 150 km Với hệ thống cáp quang thả biển, người ta thực tuyến 2,5 gbit/s có chiều dài 10.073km tuyến sử dụng 199 khuếch đại quang edfa.(erbium doped fiber amplifier ) Viện Đại Học Mở Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp Bộ biến đổi e/0 Bộ biến đổi o/e luồng tín cáp hiệu điện khối ghép kênh luồng tín hiệu điện Cáp điều khiển trạm nguồn quang Cáp quang lặp khuếch đại quang Thiết bị đầu cuối tuyến khơi phục tín hiệu khối tách kênh Thiết bị đầu cuối tuyến Hình 1.1 Các thành phần tuyến truyền dẫn cáp sợi quang Hệ thông tin quang gồm thành phần : Khối dồn kênh / tách kênh : Ghép luồng tín hiệu có tốc độ thấp (2mbit/s, 34mbit/s, 140m bit/s,158mbit/s ) thành luồng tín hiệu có tốc độ bit cao ngược lại Khối phát : Gồm có mạch kiều khiển, nguồn quang thực việc điều biến tín hiệu thành tín hiệu quang để truyền vào sợi quang Các hệ thống thơng tin quang coherent tương lai áp dụng nguyên lý điều pha điều tần tín hiệu quang Cáp sợi quang : Để truyền dẫn tín hiệu ánh sáng Trạm lặp : Hoặc khuếch đại quang tuyến có tín hiệu dài Khối thu quang : Gồm có photodide để chuyễn tín hiệu quang thành tín hiệu điện , khối khuếch đại khơi phục tín hiệu Các hệ thống thơng tin quang phát triển qua hệ: Thế hệ 1: Sử dụng sợi quang đa chiết xuất bậc ( step index – si ) chiết suất biến đổi ( graded index – gi ), hoạt động bước sóng 850nm Linh kiện thu, phát thường sử dụng led diode pin Viện Đại Học Mở Hà Nội 10 Đồ Án Tốt Nghiệp CHƯƠNG III 3.1.Ứng dụng ống đệmSỐ cápSỢI sợi quang MỘT CÁP QUANG học ảnh hưởng môi trường bên ngồi q trình lắp đặt , khai thác lưu giữ cáp treo, vỏ cáp phải đảm bảo không suy giảm chất lượng xạ tử ngoại Trong hầu hết ứng dụng sợi quang đa mode đơn mode phải tăng cường khả chống đỡ ảnh hưởng từ bên Chẳng hạn sợi quang đa mode đơn mode phải tăng khả chống đỡ ảnh hưởng từ bên Chẳng hạn sợi bị kéo căng uốn cong mức suy hao sợi tăng lên sợi ngâm nước dài ngày tốc độ bão hoà nhanh suy hao sợi tăng, sợi dòn dễ gẫy trước sử Viện Đại Học Mở Hà Nội 61 Đồ Án Tốt Nghiệp dụng phải đặt sợi quang ống nhựa gọi ống đệm để bảo vệ cáp quang ngồi trời người ta phải sử dụng ống đệm sợi hai sợi ngược lại cáp có hàng trăm sợi phải bao gồm ống đệm nhiều sợi 3.1.1 Các loại ống đệm a) Một sợi ống đệm lỏng Đây ống plastic đường kính bé bên đặt sợi quang có vỏ bọc thứ ( có hai lớp) nhờ mà sợi chống biến dạng chống va đập có hiệu quả, (hình 3.1a) Ống nhựa phải giữ hình dạng nhiệt độ môi trường thay đổi, dai, không nhạy cảm với lão hoá nềm mại ống đệm lỏng sợi phải có đặc tính phần tử cấu trúc sử dụng phổ thông Ống đệm gồm lớp bảo vệ bên có hệ ma sát thấp lớp bên bảo vệ sợi chống lại tác động học nhờ vật liệu gốc khác mà ống có khả hoạt động phạm vi rộng điều kiện mơi trường sợi quang có khoảng khơng gian tự bên ống dài ống nên dịch chuyển dễ dàng sợi Ở trạng thái tĩnh, sợi quang nằm vị trí tâm ống Do ống đệm phải bện quanh phần tử trung tâm nên ống sợi có chiều dài vượt chiều dài cáp Chiều dài tăng thêm phụ thuộc vào bán kính lõi bện, đường kính ống độ dài bước bện Nhờ bện mà cáp bị kéo căng co lại nhiệt độ thấp sợi không bị dãn không vượt phạm vi cho phép Sợ i Rỗng chất điều dầy a) Vin i Học Mở Hà Nội Vá b¶o vƯ thø nhÊt è ng plastic Rỗng chất điều dầy b) 62 n Tt Nghip R ỗng chất điều dầy Vỏ bảo vệ thứ Sợ i Sợ i Vỏ bảo vệ thứ Rỗng chất diều đầy Lõi rnh chữV c) Lõi rnh chữV d) Sợ i Băng dẹt cã r∙nh Vá b¶o vƯ thø nhÊt e) Hình 3.1 Các loại đệm lỏng sợi nhiều sợi Ưu điểm ống đệm lỏng dễ bóc ống hàn nối sợi , thời gian chuẩn bị đầu sợi trước hàn rút ngắn ( hình 3.2.) thể vị trí sợi ống đệm lỏng số trường hợp đặc biệt ( hình 3.2.a) thể vị trí sợi cáp trạng thái bình thường ( hình 3.2.b) vị trí sợi cáp bị kéo căng ( hình 3.2.c) vị trí sợi cáp bị co a) phần tử trung tâm sợi quang ống đệm Viện Đại Học Mở Hà Nội 63 Đồ Án Tốt Nghiệp b) c) Hình 3.2 Vị trí sợi ống đệm lỏng sợi Khi cáp bị kéo căng sợi chuyển phía Phụ thuộc vào thiết kế ống đệm mà độ dãn cáp ảnh hưởng đến độ dãn sợi chiều dài cáp tăng thêm 0,5 1 Nếu cáp dãn vượt trị số cho phép suy hao sợi bắt đầu tăng Khi cáp bị co phạm vi cho phép sợi chuyển phía ngồi, bán kính cong nằm phạm vi cho phép suy hao sợi khơng tăng Ngồi ống đệm lỏng sợi có đệm lỏng sợi rãnh (hình 3.1b) Của lõi rãnh chữ v, rãnh lõi cáp băng dẹt ( hình 3.1c) b) Ống đệm lỏng nhiều sợi Ống đệm lỏng sợi tiện lợi cho ứng dụng thực tế ống đệm có đường kính bé, khoảng từ 1,42mm sử dụng để chế tạo cáp có tối đa 14 sợi , ống đệm lỏng sợi có khả sử dụng để thiết kế chế tạo cáp có nhiều 14 sợi Tuy nhiên cấu trúc cáp trở nên phức tạp, đường kính ngồi lớn trọng lượng tăng đáng kể điều dẫn đến ứng dụng thực tế cáp khó khăn khơng thích hợp để khắc phục nhược điểm người ta thay ống đệm sợi ống đệm chứa - 12 sợi đa mode đơn mode tăng Viện Đại Học Mở Hà Nội 64 Đồ Án Tốt Nghiệp đường kính ngồi ống ống đệm lỏng nhiều sợi ống đệm lỏng to chứa tới 20 sợi Các sợi quang bên ống đệm to bện , đường kính ngồi ống chứa 12 sợi khoảng 5,9 mm Do bện mà chiều dài sợi vượt chiều dài ống khoảng 0,70,8mm ( hình 3.3 ) cho thấy điều Hình 3.3 Sợi bện ống đệm lỏng loại to 3.1.2 Ống đệm chặt Cách đơn giản để bảo vệ quang dùng ống plastie bọc trực tiếp bên sợi gọi ống đệm chặt sợi quang ống đệm Hình 3.4 Ống đệm chặt Viện Đại Học Mở Hà Nội 65 Đồ Án Tốt Nghiệp 3.2 Cấu trúc tổng thể loại cáp sợi quang Cáp sợi quang gồm phần lõi phần vỏ Phần lõi có phần tử gia cường ống đệm khối đệm Các sợi dây đồng dùng cho cáp nguồn, phần đệm chất đầy Cấu trúc cụ thể phần lõi trình bày chi tiết mục Phần vỏ cáp có cấu trúc khác tuỳ loại cáp Nói chung, phần vỏ cáp gồm phần tử sau đây: vỏ pe thứ bao bọc bên lõi cáp dài khoảng 1mm, vừa làm chức chống ẩm, vừa đóng vai trò lớp cách điện( cáp có dây cấp nguồn ) lớp chống ẩm chống gặm nhấm băng nhôm tráng nhựa hai mặt ( hình 3.5) loại dùng cho cáp cống, băng thép mạ kẽm gợn sóng để gia cường cho cáp chơn (hình 3.6.) ngồi lớp vỏ bọc pe dài khoảng 1,5mm1,9mm Vá PE ngoµi cï ng Vỏ PE cù ng Chất điền dầy Lõi cáp Băng nhôm tráng nhựa mặt Hì nh 3.5Cấu trúc vỏ cáp Băng thép mã kẽ m Lõi cáp Hì nh 3.6Cấu trúc vỏ cáp chôn Ngn cỏch khụng cho nước thấm theo chiều dọc cáp đứt để ngồi trời Hợp chất điều đầy phải có thành phần không gây hại cho phần tử khác cáp, có hệ số dãn nở thấp khơng làm phình vỏ pe Một lớp keo dính nóng chảy bọc quanh lõi cáp vừa làm lớp chắn , vừa dính lõi cáp với vỏ cáp Viện Đại Học Mở Hà Nội 66 Đồ Án Tốt Nghiệp Nếu không yêu cầu chống nước thấm dọc vỏ cáp, chẳng hạn cáp nhà khơng cần điều đầy lõi Để bảo vệ phần tử bện lõi cáp, cần quấn vài lớp mỏng băng plastic Việc nhận dạng nhờ sợi đặt song song với trục cáp phía ngồi phần tử bện Chẳng hạn cáp siemens có màu xanh – trắng - đỏ – trắng cáp siecor đỏ - đỏ xanh đen Nếu khách hành yêu cầu đặt băng giấy vỏ lõi cáp rộng khoảng 6mm có đánh dấu chiều dài theo mét liên tục 3.2.1 Cấu trúc cáp chôn Các u cầu đặc tính cáp chơn trực tiếp đơn giản cáp cống đặc tính cần bổ sung lớp vỏ kim loại để tránh rủi ro đào bới Lớp bảo vệ lớp thép có gợn sóng lớp dây thép ngồi vỏ bảo vệ plastie 10 Hình 3.7 Mặt cắt ngang cáp chơn trực tiếp 3.2.2 Cấu trúc cáp treo Có cáp tự treo cáp có dây treo bên ngồi Cáp có dây treo bên ngồi khơng đòi hỏi chịu lực căng lớn, phải có đặc tính nhiệt tốt Đặc biệt treo vùng có băng giá có gió mạnh ( hình 1.a) Cáp treo chịu ứng suất nhiệt cao Loại cáp phải đảm bảo cường độ căng cao cho sợi an tồn Chính sợi dây treo cấu tạo từ Viện Đại Học Mở Hà Nội 67 Đồ Án Tốt Nghiệp nhiều sợi thép bện với gồm sợi Trung tâm ống đệm lỏng sợi có phần từ gia cường thép lớp nhơm mạ kẽm bao bọc bên ngồi ống đệm chống ẩm ngồi lớp bảo vệ pe (hình s 8) Vỏ PE Dây thép treo Vỏ PE hì nh sè PhÇn tư gia c êng G-FRP 17,5mm (1.a) (1.b) Khối quang Băng nhôm Phần tử gia c ờng 20mm Sợ i quang Sợ i quang Phần tử gia c êng G-FRP Lâi cã r· nh Vá nhùa Sợ i tơgia c ờng Vỏ PE 12mm Hỡnh 3.8 Cấu trúc cáp treo 3.2.3 Cấu trúc cáp quang biển Trong cáp quang biển sử dụng sợi đơn mode Vì cáp quang biển thường lắp đặt cho tuyến thông tin quốc tế Do sợi suy hao thấp nên chiều dài khoảng lặp rộng Khi thiết kế tuyến cáp quang biển Phải đảm bảo độ tin cậy cao, đặc tính học truyền dẫn ổn định suốt thời gian sử dụng, tối đa 25 Viện Đại Học Mở Hà Nội 68 Đồ Án Tốt Nghiệp năm cáp nhà sản xuất khác có cấu trúc khác chút ít, có cấu trúc như( hình 3.9 ) Lâi cã rnh Vỏ P E cách đ iện Sợ i Sợ i Phần tử Trung tâm ống kim loạ i Dầu chèng thÊm n í c P hÇn tư gia c ờng Chất điền đầy Băng kim loạ i Vỏ Plastic 25mm Hình 3.9 Cấu trúc cáp quang biển 3.2.4 Cáp nhà Cáp nhà có vỏ bảo vệ bên pvc cần thiết để lắp đặt nhà cao tầng Phụ thuộc yêu cầu mà sử dụng sợi đa mode hay đơn mode cáp từ dẫn vào hộp phân phối sợi, phân phối tới thiết bị đầu cuối khách hàng, cáp nhà có đặc tính cáp ngồi trời số cáp tối thiểu tối đa 6, sợi đặt ống đệm chặt để cường kính ngồi bé khoảng 3,5mm cáp có phần tử gia cường phi kim loại thuỷ tinh sợi aramid, vỏ pvc dày 0,9mm khó bắt lửa Vá P VC PhÇn tư gia c êng Vá PVC Phần tử gia c ờng ống đệm chặt sợ i ống đệm chặt sợ i Phần tử trung t©m Hình 3.10 Cấu trúc cáp nhà Viện Đại Học Mở Hà Nội 69 Đồ Án Tốt Nghiệp 3.3.Các biện pháp bảo vệ cáp quang Các cáp quang sau chế tạo có cấu trúc phù hợp theo phương pháp rải đặt cáp để treo, cáp chôn trực tiếp hay cáp thả nước Trong thi cơng tuyến cáp cần có biện pháp gia cường bảo vệ bổ sung để tránh thảm họa xảy cho cáp Trong loại đường cáp đường cáp chơn trực tiếp bị ảnh hưởng nhiều, chẳng hạn ảnh hưởng tác hại học phương tiện giao thơng vận tải, ảnh hưởng lồi gặm nhấm : Kiến, mối, chuột…và ảnh hưởng sét đánh Vì nêu số biện pháp chống thảm họa cho đường cáp chôn trực tiếp 3.3.1 Độ chôn sâu cáp Cáp chơn trực tiếp xuống lòng đất Tuyến cáp qua nhiều loại địa hình khác đồi núi, đồng ruộng đường giao thông đường sắt đường Cáp cần phải có độ chôn sâu cần thiết để tránh tác động học bề mặt đất tác động ảnh hưởng rung động phương tiện giao thông giới tuyến cáp chạy qua đường Các tác động học dễ làm cho sợi quang bị rạn, phát sinh tiêu hao phụ bị gãy sợi Hiện nhiều nước khuyến nghị cho độ chôn sâu cáp 1.1 – 1.2 m, có nước chơn cáp độ sâu 1.5m cáp luồn ống nhựa PE PVC Bên bên sợi cáp có dải lớp cát lớp đất mịn dày phía 10cm để giữ sợi cáp thẳng, tránh chỗ uốn cong nhỏ, tránh tiêu hao phụ Bên sợi cáp 1cm đặt băng nhựa báo hiệu lót gạch nằm ngang rãnh cáp, bê tông để tránh đào hầm vào cáp Viện Đại Học Mở Hà Nội 70 Đồ Án Tốt Nghiệp Hình 3.11 Mặt cắt cáp trực tiếp lòng đất Trong trường hợp địa hình phức tạp, khó khăn, nhiều sỏi đá, khơng đào đủ độ sâu cần thiết cáp phải đặt lòng ống nhựa PVC đường kính 28 – 34 mm cáp lẫn ống nhựa đặt lòng ống sắt đường kính 80 – 100 mm rãnh bê tông Khi cáp vượt qua đường giao thông, qua cầu, dọc đường sắt… Thì phải dùng ống sắt ống nhựa 3.3.2 Chống mối chống chuột Cáp quang có vỏ ngồi PE nhựa có mật độ thấp nên mối, kiến lồi gặm nhấm gặm nhấm vỏ nhựa Một số lồi mối, kiến sống độ sâu 1m nên ăn vỏ cáp Bên lớp vỏ PE có lớp băng thép mạ hình lượn sóng bao bọc Mối kiến gặm nhấm lớp băng thép mạ, nhiên sau nhiều năm lớp thép mạ bị gỉ bị ăn mòn vài Viện Đại Học Mở Hà Nội 71 Đồ Án Tốt Nghiệp chỗ nhỏ không ảnh hưởng đến sợi quang bên cáp Do ảnh hưởng kiến mối không đáng kể Các loài chuột chi gặm nhấm lớp vỏ PE chúng gặp cáp đường đi, không gặm lớp vỏ thép lớp vỏ thép trần lâu ngày bị ăn mòn Một biện pháp bảo vệ hữu hiệu dùng băng thép bọc nhựa quấn xung quanh cáp trần cáp quang riêng lỗ cống bịt kín đầu lỗ cống lại khơng cho chuột chui vào, đoạn cáp trần bể bọc thép bọc nhựa 3.3.3 Chống ảnh hưởng sét Ở Việt Nam thường xuyên có sét đánh mùa mưa, cáp có thép quấn, sét đánh vào vùng đất bên cạnh dễ làm ảnh hưởng đến cáp Ảnh hưởng sét vào cáp phụ thuộc nhiều vào yếu tố điện trở suất đất Cường độ sét, tần suất sét đánh vùng, phải xem xét tỉ mỉ yếu tố ảnh hưởng để tính tốn tỉ mỉ * Khả hư hỏng biện pháp bảo vệ : Theo tính tốn khả sét đánh vào vùng đất lân cận cáp lớn, nhiên thực tế khả hư hỏng cáp nhỏ số lý : - Sét đánh vào mùa mưa nên điện trở suất cáp thấp, khả sét đánh vào cáp - Cường độ sét nói chung nhỏ giá trị tính tốn 50KA, bên cạnh khả chịu đựng xung điện áp vỏ PE cáp cao, đạt giá trị 100KA - Ở vùng núi cao, đất có nhiều đá, điện trở suất cao, sét có xu đánh vào mô cao mỏm núi, cây… Rõ ràng khả hư hỏng cáp liên quan trực tiếp tới điện trở suất đất, điện trở suất cao khả hư hỏng nhiều Viện Đại Học Mở Hà Nội 72 Đồ Án Tốt Nghiệp KẾT LUẬN Ngoài ra, vùng đồng có điện trở suất thấp, vùng núi có điện trở suất cao, cần lưu ý xây dựng tuyến cáp quang vùng cụ thể Đoạn tuyến cáp quang chọn dọc đường sắt khơng cần có biện pháp chống sét bổ sung Mạng viễn thông ngày phát triển với công nghệ đại Hệ thống truyền dẫn quang phương tiện truyền dần chủ yếu Viện Đại Học Mở Hà Nội 73 Đồ Án Tốt Nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO tuyến thông tin nội tỉnh, liên tỉnh xuyên quốc gia Các tuyến truyền dẫn cáp quang triển khai mạnh mẽ nước ta năm gần có ưu điểm bật đáp ứng nhu cầu sử dụng tương lai Cùng với cáp sợi quang triển khai rộng rãi Cáp sợi quang truyền dẫn tất tín hiệu hệ thống có nhằm đảm bảo tính truyền dẫn thơng suốt mạng lưới khác Với tiến vượt bậc công nghệ điện tử viễn thông, công nghệ quang công nghệ quang phát triển không ngừng, giá thành giảm xuống tạo điều kiện cho việc sử dụng ngày rộng rãi nhiều lĩnh vực thông tin Tuy nhiên hệ thống thông tin cáp sợi quang hệ thống phức tạp Việc thiết kế lắp đặt tuyến truyền dẫn sợi dẫn quang đòi hỏi có độ xác cao Chính sử dụng cáp quang hệ thống thơng tin đòi hỏi phải có độ ngò cán có trình độ, hiệu biết sâu kỹ thuật mội lĩnh vực nghành điện tử viễn thông Trong phần báo cáo thực tập nêu số điểm bật cáp sợi quang Một lần em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Đỗ Xuân Thụ tận tình giúp đỡ em trình làm báo cáo Viện Đại Học Mở Hà Nội 74 Đồ Án Tốt Nghiệp Hệ thống thông tin quang – TS Vũ Văn San, NXB Bưu điện Fiber Optic Cabling – Barry Elliott and Mike Gilmore Sợi quang công nghệ SDH Các tài liệu khác Viện Đại Học Mở Hà Nội 75 ... Mở Hà Nội 11 Đồ Án Tốt Nghiệp Từ nhiều năm nay, người ta tiến hành nghiên cứu thử nghiệm vể hệ thống thông tin quang coherent ưu điểm bật hệ thống thông tin quang coherent so với hệ thống điều... triển hệ CHƯƠNG thống thông tin I quang TỔNG QUAN VỀ THƠNG TIN QUANG Từ xa xưa lồi người biết sử dụng ánh sáng để truyền thông tin nhờ tín hiệu khói hay ánh sáng phản xạ gương Tiếp đó, hệ thống. .. vực thông tin Tạo đà cho công nghệ thông tin truyền thông ngày phát triển Đồ án em thực nhằm mục đích tìm hiểu hệ thống truyền dẫn sợi cáp quang, ưu điểm nhược điểm hệ thống thông số sợi quang