Ảnh hưởng của hiện tượng tán sắc ánh sáng đến hệ thống thông tin quang

Trường Đại học Vinh Khoa Vật Lý Lêi c¶m ¬n Qua bản luận văn này, tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của các Thầy Cô giáo trong khoa Vật lý đã giảng dạy và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Đặc biệt, xin gửi lời tri ân tới thầy giáo TS. Đoàn Hoài Sơn, người đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng đề tài và giúp đỡ tận tình cho tôi trong suốt quá trình hoàn thành luận văn. Do nhiều hạn chế về thời gian, luận văn không thể không có những thiếu sót, rất mong nhận được sự góp ý, bổ sung của quý thầy cô giáo, anh chị cùng các bạn sinh viên để luận văn có thể hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn! Vinh, tháng 5 năm 2009 Tác giả Thái Thị Vũ Anh Thái Thị Vũ Anh Khóa luận tốt nghiệp 3 Trường Đại học Vinh Khoa Vật Lý Môc lôc Lêi më ®Çu .6…………………………………………………………………… Ch¬ng I: tæng quan vÒ sîi c¸p quang 1.1 Sự phát triển của hệ thống thông tin quang .7……………………………… 1.1.1 Khái quát về lịch sử ra đời của thông tin quang ……………… … …… …7 1.1.2 Quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang ……………………….…10 1.1.3. Các đặc tính của thông tin quang ……………………………………… …12 1.1.4 Các thành phần chính của thông tin quang …………………………………14 1.2. Sợi quang: 16 1.2.1. Cấu tạo sợi quang 16 1.2.2. Phân loại sợi quang ………………………………… .………………17 1.2.3. Truyền ánh sáng trong sợi quang …………………… …………… 18 1.3. Quá trình truyền xung trong sợi quang: . 20 1.3.1. Các phương trình Maxwell 20 Ch¬ng II: t¸n s¾c trong sîi quang …… .…………………24 2.1. Tán sắc là gì? …………………………………………………… …… 24 2.2 Tán sắc trong sợi quang 25 2.3. Tán sắc trong sợi đơn mode . 27 2.3.1. Tán sắc vận tốc nhóm . 27 2.3.2. Tán sắc vật liệu …………………………………………… ……… . 28 2.3.3. Tán sắc dẫn sóng …………………………………………… .…… . 30 2.3.4. Tán sắc bậc cao 31 2.3.5. Tán sắc phân cực mode 32 Thái Thị Vũ Anh Khóa luận tốt nghiệp 4 Trường Đại học Vinh Khoa Vật Lý Ch¬ng III: ¶nh hëng cña t¸n s¾c ®Õn hÖ thèng th«ng tin quang 3.1 Phương trình truyền dẫn cơ bản 35 3.2 Các xung Gaussian bị lệch tần (chirp) ………………………………… .… 37 3.3. Tán sắc giới hạn tốc độ truyền dẫn . 41 3.3.1 Trường hợp nguồn phát quang có độ rộng phổ lớn . 41 3.3.2 Trường hợp nguồn phát quang có độ rộng phổ nhỏ 43 3.3.3 Ảnh hưởng của chirp tần số 45 3.4 Bù độ tán sắc trong quang sợi đơn mode ………………….………………. 46 3.5 Băng tần sợi quang …………………………………………………………. 49 3.6 Giới thiệu một số sợi quang mới . 50 3.6.1 Nguyên tắc chế tạo sợi quang mới 51 3.6.2 Các sợi dẫn quang đơn mode mới trong thông tin quang . 55 Kết luận chung 57 Tài liệu tham khảo 58 Thái Thị Vũ Anh Khóa luận tốt nghiệp 5 Trường Đại học Vinh Khoa Vật Lý Lêi më ®Çu Trong những năm gần đây, các thệ thống tin quang đã được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực của đời sống kinh tế xã hội trên phạm vi toàn thế giới, và được xem như là mũi nhọn đột phá về tốc độ, cự ly truyền dẫn, cấu hình linh hoạt cho các dịch vụ viễn thông cấp cao. Hệ thống thông tin quang sợi sử dụng các sợi dẫn quang để truyền dẫn các sóng ánh sáng. Nhưng khi ánh sáng truyền qua môi trường sợi dẫn quang thì sẽ có ảnh hưởng của các hiệu ứng tán sắc, hấp thụ, tán xạ . Vấn đề đặt ra cho các nhà chế tạo là tìm ra các giải pháp để khắc phục và hạn chế ảnh hưởng của các hiệu ứng này đến chất lượng và truyền thông tin trong sợi quang. Để tìm hiểu sâu hơn về vấn đề này, chúng tôi đã lựa chọn đề tài "Ảnh hưởng của hiện tượng tán sắc ánh sáng trong quá trình truyền dẫn thông tin quang" cho luận văn của mình. Nội dung của luận văn được trình bày trong ba chương: Chương I: Tìm hiểu tổng quan về sợi cáp quang Trong chương này tôi đã trình bày một cách tổng quan về hệ thống thông tin quang: lịch sử phát triển, đặc tính, các thành phần chính của hệ thống thông tin quang, cấu tạo, phân loại….của sợi dẫn quang. Chương II: Tán sắc trong sợi quang Tìm hiểu các đặc điểm của hiệu ứng tán sắc, những loại tán sắc trong quá trình truyền dẫn ánh sáng trong sợi dẫn quang. Chương III: Ảnh hưởng của tán sắc đến hệ thống thông tin quang Khảo sát ảnh hưởng của hiện tượng tán sắc ánh sáng đến hệ thống thông tin quang. Giới thiệu một số phương pháp khắc phục ảnh hưởng của tán sác và các sợi quang mới hiện nay đang được nghiên cứu và sử dụng trong thông tin quang. Thái Thị Vũ Anh Khóa luận tốt nghiệp 6 Trường Đại học Vinh Khoa Vật Lý Ch¬ng I: tæng quan vÒ sîi c¸p quang 1.1 Sự phát triển của hệ thống thông tin quang 1.1.1 Khái quát về lịch sử ra đời của thông tin quang Khác với thông tin hữu tuyến và vô tuyến các loại thông tin sử dụng các môi trường truyền dẫn tương ứng là dây dẫn và không gian _ thông tin quang là một hệ thống truyền thông tin qua sợi quang. Điều đó có nghĩa là thông tin được chuyển thành ánh sáng và ánh sáng sau đó được truyền qua sợi quang. Tại nơi nhận nó lại được biến đổi trở lại thành thông tin ban đầu. trên hình 1.1 giới thiệu một hệ thống truyền dẫn sợi quang digital được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Các phương tiện sơ khai của thông tin quang là khả năng nhận biết của con người về chuyển động, hình dáng, màu sắc của sự vật thông qua đôi mắt. Tiếp đó, một hệ thống thông tin điều chế đơn giản xuất hiện bằng cách sử dụng các đèn hải đăng, các đèn hiệu. Sau đó, năm 1791, V.C.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 kịên về thời tiết… Năm 1838, Samuel F.B.Morse phát minh ra máy điện báo. Sau đó, dịch vụ điện báo thương mại đầu tiên được đưa vào khai thác năm 1844 và dần dần tăng lên với số lượng đáng kể. Năm 1878, người ta tiến hành đặt các cáp kim loại để nối với tổng đài điện thoại đầu tiên tại Neu Haven bang Connecticut. Giai đoạn sử dụng cáp kim loại để truyền dẫn tín hiệu ngự trị cho tới năm 1887, khi mà H. Hertơ phát minh ra sự phát xạ sóng điện từ có bước sóng dài và Guliclmo Marconi thực hiện màn trình diễn sóng vô tuyến vào năm 1895. Những năm tiếp sau và trong thế kỷ 20, mạng lưới điện thoại đã được phát triển rộng khắp trên thế giới và liên tiếp xuất hiện những công nghệ tiên tiến trong việc thiết kế các hệ thống thông tin điện. Trước tiên phải kể đến sự cống hiến của các loại cáp đồng trục đã làm tăng dung lượng đáng kể. Năm 1940, hệ thống cáp đồng trục đầu tiên đã được lắp đặt có băng tần 3 MHz để truyền dung lượng 300 Thái Thị Vũ Anh Khóa luận tốt nghiệp 7 Trường Đại học Vinh Khoa Vật Lý kênh thoại hoặc một kênh truyền hình. Các hệ thống sau đó có băng tần 10 MHz, nhưng đây cũng là giới hạn của hệ thống này vì suy hao cáp bị phụ thuộc vào tần số. Giới hạn này nhanh chóng được giải tỏa do sự xuất hiện của các hệ thống thông tin vô tuyến. Hình1.1: Hệ thống truyền dẫn sợi quang Digital Xu hướng sử dụng phổ sóng điện từ để biến đổi tín hiệu truyền dẫn tăng lên, ở đây tín hiệu mang thông tin thường được chồng lên một sóng điện từ khác có dạng hình sin, mà người ta thường gọi là sóng mang, trước khi vào đường xử lý lại yêu cầu. Lượng thông tin được phát đi có liên quan trực tiếp tới băng tần mà sóng mang hoạt động, như vậy tăng tần số sóng mang tức là tăng băng tần truyền dẫn, lúc đó sẽ có được dung lượng thông tin lớn hơn. Xuất phát từ đó, các hệ thống thông tin điện có được cơ hội phát triển và sau này lần lượt ra đời các lĩnh vực truyền hình, rada, các tuyến viba. Hệ thống thông tin viba đầu tiên hoạt động với tần số sóng mang 4GHz đã được đưa vào khai thác năm 1948 và sau đó các hệ thống có băng tần cao hơn tiếp tục được lắp đặt trên mạng lưới. Cùng với sự phát triển của các hệ thống viba, các hệ thống cáp đồng trục cũng được lắp đặt để hoạt động với tốc độ bit ~ 100m bit/s. Theo thời gian, tốc Thái Thị Vũ Anh Khóa luận tốt nghiệp 8 Trường Đại học Vinh Khoa Vật Lý độ bit tăng lên, có thể cho cự li xa hơn nhưng cũng bị hạn chế bởi tần số sóng mang Nhìn chung hình ảnh có ý nghĩa khi đề cập tới khả năng của hệ thống thông tin là tính tốc độ bit và cự ly: BL. Hình 1.2 mô tả tích BL tăng lên theo tính hiện đại của công nghệ thông tin trong một thế kỷ rưỡi vừa qua. Để thấy được quá trình sử dụng phổ sóng điện từ cho các hệ thống thông tin điện, có thể khảo sát bảng phân cấp phổ sóng điện từ như được đưa ra bảng 1.1, trong đó môi trường truyền dẫn rất phong phú từ các đôi dây kim loại cho tới ống dẫn sóng, từ sóng dài cho tới sóng viba đã cho phép thực hiện mọi dịch vụ. Cho tới nay, đã có rất nhiều các hệ thống thông tin dước các hình thức đa dạng. Các hệ thống tin này được gán cho các tên gọi nhất định theo môi trường truyền dẫn và đôi khi theo cả tính chất dịch vụ của hệ thống. Thông thường, các hệ thống sau đều là sự phát triển, kế thừa từ các hệ thống trước nó, chúng được cải thiện nhằm thoả mãn nhu cầu của con người. Bước ngoặt có ý nghĩa to lớn trong lịch sử kỹ thuật thông tin sử dụng dải tần số ánh sáng đó là việc phát minh ra Laser, vào năm 1960, để làm nguồn phát quang. Sự kiện này gây ra một sự cuốn hút đặc biệt các nhà nghiên cứu hàng đầu Thái Thị Vũ Anh Khóa luận tốt nghiệp 9 2000 1950 0 Điện báo Điện thoại Cáp đồng trục Vi ba Thông tin quang Khuếch đại quang 10 12 10 9 10 15 10 6 10 3 1850 1900 Năm Tích BL [(bit/s)- km] Hình 1.2 Sự tăng của tốc độ bit - cự ly Trường Đại học Vinh Khoa Vật Lý về thông tin trên thế giới và tạo ra các ý tưởng tập trung tìm tòi giải pháp sử dụng ánh sáng Laser cho thông tin quang. Đây chính là điểm xuất phát của sự ra đời các hệ thống thông tin quang. 1.1.2 Quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang Hệ thống thông tin được hiểu một cách đơn giản là hệ thống để truyền thông tin từ nơi này đến nơi khác, thông tin được phát triển rất nhanh sóng điện với các dải tần số khác nhau từ các megaHec tới hàng trăm têrahec. Còn thông tin quang được thực hiện trên hệ thống sử dụng tần số sóng mang cao trong vùng nhìn thấy hoặc gần hồng ngoại của phổ sóng điện từ. Hệ thống thông tin quang sợi là hệ thống thông tin bằng sóng ánh sáng và sử dụng các sợi quang để truyền thông tin. Sự nghiên cứu hiện đại về thông tin quang được bắt đầu bằng việc phát minh thành công Laser năm 1960 bằng khuyến nghị của Kao và Hockham năm 1966 về việc chế tạo sợi quang có độ tổn thất thấp. 4 năm sau, Kaprow đã có thể chế tạo các sợi quang trong suốt có độ suy hao truyền dẫn khoảng 20dB/km. Được cổ vũ bởi thành công này, các nhà khoa học và kỹ sư trên khắp thế giới đã bắt đầu tiến hành Thái Thị Vũ Anh Khóa luận tốt nghiệp 10 Hồng ngoại Nhìn thấy Cực tím 2,55m sợi quang 800 10 -4 m Bước sóng 100 m Âm thanh Tần số rất thấp (VLF) Tần số thấp (LF) Tần số trung bình (MF) Tần số cao (HF) Tần số rất cao (VHF) Tần số cực cao (UHF) Tần số siêu cao (SHF) Sóng mm Cáp đối xứng Cáp đồng trục Ống dẫn sóng Sóng dài Sóng ngắn Vi ba 100 km 10 km 1km 10 m 1 m 10 cm 1 cm 1 KHz 10 KHz 100 KHz 1 MHz 10 MHz 100 MHz 1 GHz 10 GHz 100 GHz 10 14 Hz 10 15 Hz Tần số Hình 1.2 Sự tăng của tốc độ bit - cự ly Trường Đại học Vinh Khoa Vật Lý các hoạt động nghiên cứu và phát triển và kết quả là công nghệ mới về giảm suy hao truyền dẫn, về tăng giải thông, về các laser bán dẫn . đã được phát triển thành công trong những năm 7080 (Bảng 1.2). Cho tới nay, sợi dẫn quang đã đạt mức suy hao nhỏ, giá trị suy hao dưới 0,154dB/km tại bước sóng 1550nm đã cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ sợi quang trong gần ba thập niên qua. Dựa trên các công nghệ, sợi quang có độ dày như sợi tóc không cần đến các bộ tái tạo. Hiện nay các thệ thống tin quang đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới chúng đáp ứng các tín hiệu tương tự (analog) và số (digital), chúng cho phép truyền dẫn tất cả các tín hiệu dịch vụ băng hẹp và băng rộng đáp ứng đẩy đủ mọi yêu cầu của mạng số liên kết đa dịch vụ (ISDN). Các hệ thống tin quang sẽ là mũi đột phá về tốc độ, cự ly truyền dẫn, cấu hình linh hoạt cho các dịch vụ viễn thông cấp cao . Thực tế, thông tin quang đang ở vào giai đoạn kết thúc thế hệ thứ tư và bắt đầu thế hệ thứ năm với việc giải quyết tán sắc của sợi quang cùng với ứng dụng khuếch đại quang trên diện rộng. Các hệ thống thông tin quang đã được triển khai thử nghiệm thành công với những đặc tính hấp dẫn như độ 1,2 Tbit/s, hay truyền dẫn Soliton cự ly 9400km tại tộc độ 70 Gbit/s nhờ ghép bit kênh 10Gbit/s . . Năm Nguồn quang Cáp sợi quang 1960 Triển khai máy Laser Ruby (Hughes) 1962 Máy Laser Ga AS 1965 Máy Laser Co 2 (B2) 1966 Khả năng sử dụng đường truyền dẫn cáp quang (ST, tổn thất 1000dB/km) 1970 Máy Laser Ga AS tạo dao động liên tục (BL, Nga, NEC) Triển khai thành công sợi cáp quang sử dụng abaston (Cor ning, 20 dB/km) 1973 Phương pháp sản xuất sợi quang có độ tổn thất thấp (MCVD, BL, 1dB/km) 1976 Máy Laser GalnAsp dao động liên tục (MII, KDD, TIT, NTT) Đề xuất khả năng sản xuất sợi quang Florua (France, lucas) Thái Thị Vũ Anh Khóa luận tốt nghiệp 11 Trường Đại học Vinh Khoa Vật Lý 1980 Cấu trục Laser giếng lượng tử được chế tạo (bell lab). Chế tạo sợi quang Flo (NRL) độ tổn thất 100 dB/km . 1981 GalenAsp LD (1.6 um) Contonuous Osei llation (TIT) 1982 LD Array High Power (2,5w Contnuous Osci llatcon) 1983 Single mode, single Frequency LD (KDD, Bel lab) Sợi quang flaro có độ tổn thất thấp 10dB/km (NRT, NTT). 1986 Single mode, single Frequency LD Commerciali zation (NFC, Hitachietc) Sợi quang flaro có độ tổn thất thấp 1dB/km (khoảng 2,5 um). 1989 GaAI/AlGa laser Develoment Bảng 1.2: Các giai đoạn phát triển của thông tin cáp sợi quang Rõ ràng thông tin quang luôn mang lại điều bất ngờ trong sự phát triển công nghệ. Điều đó muốn nói rằng chúng ta cần phải thường xuyên bổ túc nhiều kiến thức về thông tin quang . 1.1.3. Các đặc tính của thông tin quang Trong thông tin sợi quang, các ưu điểm sau của sợi quang được sử dụng một cách có hiệu quả: độ suy hao truyền dẫn nhỏ, băng tần truyền dẫn lớn. Thêm vào đó, chúng có thể được sử dụng để thiết lập các đường truyền dẫn nhẹ và mỏng, không có xuyên âm với các đường sợi quang bên cạnh và không chịu ảnh hưởng của nhiều cảm ứng sóng điện từ. Trong thực tế sợi quang là phương tiện truyền dẫn thông tin hiệu quả và kinh tế nhất hiện nay. Cùng với công nghệ chế tạo các nguồn phát và thu quang, sợi dẫn quang đã tạo ra các hệ thống thông tin quang có nhiều ưu điểm trội hơn hẳn so với thông tin cáp kim loại. Trước hết, vì có băng thông lớn nên nó có thể truyền một khối lượng thông tin lớn như các tín hiệu âm thanh, dữ liệu, các tín hiệu hỗn hợp thông qua một hệ thống có cự ly đến 100 GHz – km. Tương ứng , bằng cách sử dụng sợi quang, một khối lượng lớn các tín hiệu âm thanh và hình ảnh có thể truyền dẫn đến những địa điểm cách xa hàng trăm km mà không cần đến bộ tái tạo. Thái Thị Vũ Anh Khóa luận tốt nghiệp 12