Khảo sát sự suy hao và méo tín hiệu trên sợi dẫn quang đơn mode

Bộ giáo dục và đào tạo Trờng đại học vinh -----**----- đề cơng Luận văn thạc sĩ vật lí. Khảo sát sự suy hao và méo tín hiệu Khảo sát sự suy hao và méo tín hiệu trên sợi dẫn quang đơn mode trên sợi dẫn quang đơn mode Học viên: Ngụy khắc Trí Chuyên ngành Quang học-khoá 13 Ngời hớng dẫn khoa học: PGS.TS Đinh Xuân Khoa Vinh - 2007 2 Lời cảm ơn! Qua bản luận văn này, tôi xin đợc bày tỏ lòng biết ơn chân thành, sâu sắc nhất tới thầy giáo PGS.TS Đinh Xuân Khoa đã giúp tôi định hớng đề tài, chỉ dẫn tận tình, cung cấp tài liệu và giúp đỡ tôi vợt qua rất nhiều khó khăn để tôi có thể hoàn thành luận văn này. Tôi xin cảm ơn các thầy giáo: PGS.TS Hồ Quang Quý, TS Vũ Ngọc Sáu, PGS.TS Nguyễn Huy Công đã góp ý chỉ dẫn cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Cảm ơn các thầy cô giáo ở khoa Vật lí, khoa đào tạo Sau Đại Học trờng Đại Học Vinh đã tạo điệu kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu. Vinh, tháng 9 năm 2007 Tác giả Ngụy Khắc Trí 3 Mở đầu 3 Chơng I: hệ thống thông tin quang 5 1.1 Tổng quan về thông tin quang. 1.1.1 Tiến trình phát triển của hệ thống thông tin quang. 5 1.1.2 Cấu trúc và các thành phần chính trong tuyến truyền dẫn quang. 6 1.2.1. Cấu trúc sợi quang và các mode truyền dẫn. 8 1.2.2. Truyền ánh sáng trong sợi dẫn quang. 9 Chơng II: Sự lan truyền xung trong sợi dẫn quang 12 2.1. Sự lợng tử hóa trờng đơn mode. 12 2.2. Phơng trình Schrodinger đối với trờng đơn mode. 15 2.3. Nghiệm của phơng trình Schrodinger phụ thuộc thời gian đối với trờng đơn mode. 18 2.4. Truyền sóng trong sợi dẫn quang. 19 2.4.1. Truyền sóng trong sợi quang dạng bậc. 19 2.4.2. Sợi dẫn quang đơn mode . 25 Chơng III: Khảo sát sự suy hao và méo tín hiệu 27 trên sợi quang 3.1. Suy hao tín hiệu. 27 3.1.1. Hấp thụ tín hiệu trong sợi quang. 27 3.1.2. Suy hao do tán xạ. 29 3.1.3.Suy hao uốn cong sợi. 30 3.2. Méo tín hiệu trong sợi quang. 33 3.2.1. Trễ nhóm. 35 3.2.2. Tán sắc mode . 36 3.2.3. Tán sắc vật liệu. 37 3.2.4. Tán sắc dẫn sóng. 39 4 3.2.5. Méo tín hiệu trong sợi dẫn quang. 40 3.2.6. Méo mode. 40 3.2.7. ảnh hởng của tán sắc đến dung lợng truyền dẫn. 41 3.3. Thiết kế tối u sợi dẫn quang đơn mode. 42 3.3.1. Tối u chí số chiết suất của sợi. 42 3.3.2. Bớc sóng cắt. 43 3.3.3. Tán sắc. 44 3.3.4. Đờng kính trờng mode. 47 Kết luận chung 49 Tài liệu tham khảo 50 5 Mở đầu Ngay từ xa xa để thông tin cho nhau, con ngời đã biết sử dụng ánh sáng để báo hiệu. Qua thời gian dài của lịch sử phát triển nhân loại, các hình thức thông tin phong phú ngày càng phát triển thành những hệ thống thông tin hiện đại nh ngày nay, tạo điều kiện để mọi nơi trên thế giới có thể liên lạc với nhau một cách thuận lợi và nhanh chóng. Với trình độ phát triển về mạng lới thông tin nh hiện nay, các hệ thống thông tin quang đã khẳng định đó là hệ thống thông tin tiên tiến bậc nhất, nó đã đợc triển khai trên mạng lới viễn thông các n- ớc trên thế giới dới mọi hình thức linh hoạt, ở các tốc độ và cự li truyền dẫn phong phú, đảm bảo chất lợng truyền thông tốt nhất. Đối với hệ thống thông tin quang thì môi trờng truyền dẫn là sợi dẫn quang. Việc phát minh ra Laser để làm nguồn phát quang đã mở ra một thời kỳ mới, có ý nghĩa rất to lớn trong lịch sử của kỹ thuật thông tin sử dụng dải tần số ánh sáng. Nó cho phép con ngời thực hiện thông tin với lợng kênh rất lớn vợt rất nhiều lần các hệ thống viba hiện có. Hàng loạt các thí nghiệm về thông tin trên bầu khí quyển đợc tiến hành, nhng lúc đó sự mất mát khá lớn nên tính u việt của nó cha đợc thể hiện. Một hớng nghiên cứu khác trong thời gian này đã tạo đợc hệ thống truyền tin đáng tin cậy hơn hớng thông tin qua khí quyển ở trên là sự phát minh ra sợi dẫn quang. Càng ngày các sợi dẫn quang càng thể hiện tính vợt trội của mình về độ suy hao và băng tần ngày càng rộng. Khi phân tích các loại sợi dẫn quang, ngời ta thấy rằng sợi đơn mode có suy hao nhỏ và băng tần lớn. Vì vậy sợi dẫn quang đơn mode đợc ứng dụng rộng rãi trong mạng thông tin ngày nay. Tuy nhiên để nâng cao hơn nữa khả năng sử dụng sợi đơn mode thông thờng, các nhà khoa học đang tiếp tục nghiên cứu thay đổi một số tham số trong cấu trúc loại sợi này để đáp ứng đợc các hệ thống thông tin tiên tiến. 6 Trong luận văn này chúng tôi đi vào khảo sát các yếu tố dẫn đến sự suy hao và méo tín hiệu trong sợi dẫn quang, từ đó tìm ra việc thiết kế các thông số cho sợi dẫn quang đơn mode để làm giảm tối đa sự suy hao và méo tín hiệu trong sợi dẫn quang làm cơ sở để có thể thiết lập đợc một tuyến thông tin quang chất lợng cao. Nội dung của luận văn đợc trình bày với bố cục gồm: Mở đầu, ba chơng nội dung, kết luận và tài liệu tham khảo. Ch ơng I: Hệ thống thông tin quang. Trình bày một cách tổng quan về hệ thống thông tin quang và một số yêu cầu kỹ thuật đối với sợi dẫn quang. Ch ơng II: Sự lan truyền xung trong sợi dẫn quang. Từ sự lợng tử hóa trờng đơn mode và xuất phát từ phơng trình Schrửdinger đối với trờng đơn mode dẫn đến việc khảo sát sự lan truyền xung trong môi tr- ờng tán sắc tuyến tính để làm cơ sở cho việc khảo sát sự suy giảm và méo tín hiệu trong sợi dẫn quang ở chơng 3. Ch ơng III: Khảo sát sự suy hao và méo tín hiệu trên sợi quang. Thiết kế tối u sợi dẫn quang đơn mode. Trong chơng này chúng tôi khảo sát các yếu tố cơ bản dẫn đến sự suy hao và méo tín hiệu trên sợi dẫn quang, từ đó phân tích và thiết kế các tham số trong cấu trúc sợi để làm giảm tối đa sự suy hao và méo tín hiệu đó. 7 chơng 1 hệ thống thông tin quang 1.1 Tổng quan về thông tin quang Để khảo sát về sự suy hao và méo tín hiệu trong sợi dẫn quang thì việc tìm hiểu về hệ thống thông tin quang sẽ cho chúng ta cái nhìn tổng quan về hệ thống này. 1.1.1 Tiến trình phát triển của hệ thống thông tin quang. Thông tin quang sợi chỉ mới ra đời hơn 20 năm, nhng nó đã phát triển nh vũ bão và đợc chia làm các thế hệ: + Thế hệ 1: Hoạt động ở vùng bớc sóng 0,8 m à , đợc áp dụng từ năm 1980, lúc đó nó có tốc độ bít cỡ 45Mb/s và có khoảng lặp là 10km. + Thế hệ 2: Hoạt động trong vùng bớc sóng 1,3 m à ( tán sắc trong vùng này nhỏ nhất). Lúc đầu tốc độ bít của nó khoảng 100Mb/s (Do sự tán sắc trong sợi đa mode). Nhng hạn chế này đã đợc khắc phục khi sử dụng sợi đơn mode. Đến năm 1987 hệ thống thông tin quang sợi thế hệ 2 hoạt động ở vùng bớc sóng 1,3 m à đã có tốc độ bít lên đến 1,7 Gb/s và khoảng lặp là 50km. + Thế hệ 3: Hoạt động trong vùng bớc sóng 1,55 m à và đợc ứng dụng năm 1990, lúc này hệ thống này có tốc độ bít là 2,5 Gb/s và sau đó nó đạt tới tốc độ 10 Gb/s. Thế hệ này sử dụng bộ lặp lại điện nên khoảng lặp còn hạn chế, đó là khoảng 60- 70km. + Thế hệ 4: Năm 1997 các nhà khoa học đã khắc phục đợc các nhợc điểm về tốc độ và khoảng lặp bằng cách sử dụng bộ khuếch đại quang học để tăng khoảng lặp và sử dụng kỹ thuật WDM để tăng tốc độ bít. Trong kỹ thuật khuếch đại quang học ngời ta sử dụng sợi pha tạp E + nên khoảng lặp tăng lên đáng kể. Trong thế hệ này đã có một đờng truyền quang sợi dài 27300km đã đợc hoạt động, nó nối thông tin giữa nhiều nớc châu Âu và châu á, nó có tốc độ bít là Tín hiệu điện vào Mạch điều khiển Nguồn phát quang Thu quang Mạch điện Phát quang Khuếch đại quang Đầu thu quang Chuyển đổi tín hiệu Bộ phát quang Bộ nối quang S ợ i d ẫ n q u a n g Bộ chia quang Trạm lặp Các thiết bị khác Khuếch đại Bộ thu quang Tín hiệu điện ra Hình 1.1: Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang 8 5Gb/s. Nhng hạn chế của thế hệ này vẫn là sự suy hao và méo tín hiệu, do vậy khó có thể tăng đợc tích số BL. Để có thể khắc phục đợc một số nhợc điểm trên, các nhà khoa học đã có hớng là sử dụng sợi đơn mode với cách thiết kế hợp lí về các chỉ số để có thể giảm tối đa về sự suy hao và méo tín hiệu trong quá trình truyền dẫn. 1.1.2 Cấu trúc và các thành phần chính trong tuyến truyền dẫn quang Hệ thống truyền dẫn quang ngày nay là một hệ thống thông tin rất quan trọng, nó đã trải qua nhiều năm khai thác trên mạng lới dới cấu trúc truyền khác nhau. Nhìn chung, các hệ thống thông tin quang thờng phù hợp hơn cho việc truyền dẫn tín hiệu số và hầu hết các quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang đều đi theo hớng này. Theo quan niệm thống nhất nh vậy, ta có thể đa ra cấu trúc của tuyến thông tin quang nh sau: 9 Các thành phần chính trong tuyến gồm có phần phát quang, cáp sợi quang và phần thu quang. Phần phát quang đợc cấu tạo từ nguồn phát tín hiệu quang và các mạch điện điều khiển liên kết với nhau. Cáp sợi quang gồm có các sợi quang các lớp vỏ bọc xung quanh để bảo vệ khỏi tác động từ môi trờng bên ngoài. Phần thu quang do bộ tách sóng quang và các mạch khuếch đại, tái tạo tín hiệu hợp thành. Ngoài các thành phần chủ yếu này, tuyến thông tin quang còn có các bộ nối quang, các mối hàn, chia quang và các trạm lặp. Tất cả tạo nên một tuyến thông tin quang hoàn chỉnh. Tham số quan trọng nhất về độ dài của tuyến thông tin sợi quang là suy hao theo bớc sóng. Đặc tuyến suy hao của sợi quang theo bớc sóng tồn tại ba vùng mà tại đó có suy hao thấp là các vùng bớc sóng 850nm, 1300nm và 1550nm. Ba vùng bớc sóng này đợc sử dụng cho các hệ thống thông tin quang và đợc gọi là các vùng cửa sổ thứ nhất, thứ hai và thứ ba tơng ứng. Thời kỳ đầu của kỹ thuật thông tin quang, cửa sổ thứ nhất đợc sử dụng, nhng sau đó do công nghệ chế tạo sợi phát triển mạnh, suy hao sợi ở cửa sổ sau nhỏ cho nên các hệ thống thông tin ngày nay chủ yếu hoạt động ở cửa sổ thứ hai và thứ ba. Các hớng nghiên cứu về công nghệ sợi quang còn khẳng định đợc rằng độ suy hao còn có thể giảm đợc một cách đáng kể. Nguồn phát quang ở thiết bị phát có thể sử dụng điốt phát quang (LED) hoặc Laser bán dẫn (LD). Cả hai loại nguồn phát này đều phù hợp cho các hệ thống thông tin quang, với tín hiệu quang đầu ra có tham số biến đổi tơng ứng với sự thay đổi của dòng điều biến. Tín hiệu điện ở đầu vào tín hiệu phát ở dạng số hoặc đôi khi có dạng tơng tự. Thiết bị phát sẽ thực hiện biến đổi tín hiệu này thành tín hiệu quang tơng ứng và công suất đầu phát sẽ phụ thuộc vào sự thay đổi của cờng độ dòng điều biến cờng độ ánh sáng- IM. Bớc sóng làm việc của nguồn phát quang cơ bản phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo. Đoạn sợi quang ra (pigtail) của nguồn phát quang phải phù hợp với sợi dẫn quang đợc khai thác trên tuyến. 10 Tín hiệu ánh sáng đã đợc điều chế tại nguồn phát quang sẽ lan truyền theo sợi dẫn quang để tới phần thu quang. Khi truyền trên sợi dẫn quang, tín hiệu ánh sáng sẽ bị suy hao và méo do các yếu tố hấp thụ, tán xạ, tán sắc gây nên. Bộ tách sóng quang ở phần thu thực hiện tiếp nhận ánh sáng và tách lấy tín hiệu từ hớng phát tới. Tín hiệu quang đợc biến đổi trở lại thành tín hiệu điện. Các photodiot PIN và photodiot thác lũ APD đều có thể sử dụng làm bộ tách sóng quang trong các hệ thống thông tin quang, cả hai loại sợi này đều có hiệu suất làm việc cao và tốc độ chuyển đổi nhanh. Các vật liệu bán dẫn chế tạo nên các bộ tách sóng quang sẽ quyết định bớc sóng làm việc của chúng và đuôi sợi quang đầu vào các bộ tách sóng quang cũng phải phù hợp với sợi dẫn quang đợc sử dụng trên tuyến lắp đặt. Đặc tính quan trọng nhất của thiết bị thu quang là bộ nhạy thu quang, nó mô tả công suất quang nhỏ nhất có thể thu đợc ở mọi tốc độ truyền dẫn số nào đó ứng với tỷ lệ lỗi bít cho phép của hệ thống. Khi khoảng cách truyền dẫn khá dài, tới một cự li nào đó, tín hiệu quang trong sợi bị suy hao quá nhiều thì cần thiết phải có trạm lặp quang đặt trên tuyến. Cấu trúc của thiết bị trạm lặp quang gồm có thiết bị phát và thiết bị thu ghép quay phần điện vào nhau. Thiết bị thu ở trạm lặp sẽ thu tín hiệu quang yếu rồi tiến hành biến đổi thành tín hiệu điện, khuếch đại tín hiệu này, sửa dạng và đa đến đầu vào thiết bị phát quang. Thiết bị phát quang thực hiện biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang rồi lại phát tiếp vào đờng truyền. Những năm gần đây thì các bộ khuếch đại quang đã đợc sử dụng để thay thế cho các thiết bị trạm lặp quang. 1.2.1 Cấu trúc sợi quang và các mode truyền dẫn Sợi dẫn quang có cấu trúc nh một ống dẫn sóng hoạt động ở dải tần số quang, nh vậy nó có dạng hình trụ bình thờng và có chức năng dẫn ánh sáng lan truyền theo hớng song song với trục của nó. Để đảm bảo đợc sự lan truyền ánh sáng trong sợi, cấu trúc đơn giản của nó gồm một lõi hình trụ làm bằng thủy tinh có chỉ số chiết suất n 1 và bao quanh lõi là một vỏ phản xạ hình ống đồng