Sợi quang và các đặc tính truyền dẫn của sợi quang

Mở đầu Cuộc sống của chúng ta ngày nay đòi hỏi phải cập nhật các thông tin. Sự chiếm lĩnh các thông tin giúp ngời ta giải quyết các vấn đề một cách nhanh chóng, chính xác và đạt hiệu quả cao. Trong các năm 80 của thế kỷ XX trở về trớc, thông tin đợc truyền theo phơng pháp truyền thống: phơng pháp truyền sóng vô tuyến điện. Mặc dù đây là phơng pháp tiên tiến so với cách truyền tin trớc đó nhng vẫn còn rất nhiều nhợc điểm, chẳng hạn nh sự méo tín hiệu, sự giới hạn băng truyền, cự li và tốc độ truyền dẫn . Cùng với sự phát triển của các thiết bị bán dẫn và công nghệ quang sợi, phơng pháp truyền tin truyền thống đã đợc thay thế bằng phơng pháp tiên tiến hơn: phơng pháp truyền dẫn và xử lý thông tin bằng cáp sợi quang.Với phơng pháp này, tín hiệu đợc truyền nguyên vẹn đến máy thu, bên cạnh đó, cự li, tốc độ truyền dẫn và đặc biệt là khả năng truyền tải dung lợng lớn có thể thực hiện đợc trong quang sợi. Chẳng hạn thực hiện truyền dẫn bằng sợi quang đồng trục, cùng một lúc có thể truyền đợc hàng triệu cuộc điện thoại và hằng trăm kênh truyền hình mà vẫn đảm bảo chất lợng truyền dẫn. Điều này cho phép hạ giá thành các sản phẩm truyền hình, cớc phí các cuộc gọi điện thoại. Trên thế giới việc nghiên cứu các thiết bị truyền thông quang sợi và công nghệ sợi quang đã và đang phát triển rất mạnh mẽ. Việc nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý tổ chức truyền dẫn thông tin cáp sợi quang đã đợc đề cập đến trong chơng trình học học chuyên ngành. Tuy nhiên do giới hạn về thời gian vấn đề này cha đợc nghiên cứu một cách kỹ lỡng và chi tiết. Chính vì vậy trong luận văn này chúng tôi đặt vấn đề nghiên cứu: Sợi quang và các đặc tính truyền dẫn của sợi quang Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung của luận văn gồm ba ch- ơng: Chơng I Tổng quan về thông tin quang. Trong chơng này chúng tôi trình bày một cách tổng quan về cấu tạo 1 cùng nh cách phân loại và tính chất của sợi quang. Cũng trong chơng này, chúng tôi trình bày về các điều kiện để đảm bảo tối u quá trình truyền dẫn trong sợi quang. Chơng II Các ph ơng thức truyền sóng trong sợi quang. Trong chơng này, chúng tôi đa ra các cách khảo sát quá trình truyền sóng trong sợi quang. Về phơng diện quang hình học, sóng lan truyền trong sợi quang sau khi liên tiếp phản xạ trên các mặt biên theo các định luật quang hình học. Chúng ta cũng có thể khảo sát quá trình lan truyền sóng trong sợi quang bằng thuyết sóng điện từ của Maxwell, các kết quả của hai cách khảo sát này là nh nhau. Chơng III Các đặc tính truyền dẫn của sợi quang. Các đặc tính truyền dẫn của sợi quang bao gồm các ảnh hởng của các quá trình hấp thụ, tán sắc của vật liệu hay các nguyên nhân khác. Trong chơng này, chúng tôi đã trình bày chi tiết các nguyên nhân gây ra suy hao tín hiệu và méo đồng thời đa ra các lu ý khi thiết kế tuyến thông tin sợi quang có chú ý đến các yếu tố nói trên . Do sự hạn chế về thời gian và trình độ, bản luận văn này không tránh khỏi các thiếu sót. Rất mong nhận đợc sự góp ý của các thầy cô giáo, các anh, chị và các bạn sinh viên để luận văn đợc hoàn thiện hơn. Cuối cùng tôi xin đợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo Nguyễn Văn Phú, thầy đã đặt bài toán, cung cấp tài liệu và tận tình hớng dẫn tôi trong suốt quá trình làm việc. Tôi cũng in chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong chuyên ngành Quang học Quang phổ, trong Khoa Vật lý đã giúp đỡ tôi rất nhiều để hoàn thành bản luận văn này. Vinh, tháng 5 năm 2004. Sinh viên thực hiện Lê Thị Tâm 2 chơng I - Tổng quan về thông tin quang và cáp sợi quang I. Nguyên lý tổ chức hệ thống truyền dẫn quang Sơ đồ khối cơ bản của một hệ thống truyền dẫn quang cho trên hình vẽ 1.b. Chức năng của các phần tử của hệ thống có thể nhận biết sơ bộ nhờ so sánh với một hệ thông truyền dẫn tín hiệu điện cổ điển nh trên hình 1.1a. Trong đó các phần tử của hai hệ thống là tơng đồng nhau. Hình 1-a: Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin điện Hình 1-b. Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin quang Nguồn tín hiệu thông tin là nh nhau, đều là các dạng thông tin thờng hiện nay nh tiếng nói, hình ảnh, số liệu, văn bản v v Phần điện tử là phần chung của hai hệ thống. Để tạo ra các tín hiệu điện đa vào các hệ thống truyền dẫn, có thể là tín hiệu analog hoặc digital (điểm A). Bộ biến đổi điện quang E/O để thực hiện điều biến tín hiệu điện vào cờng độ bức xạ quang để cho phát đi, có chức năng nh bộ điều biến trên 3 hình 1.a. Cũng nh thông tin điện, với nhiều phơng thức điều biến khác nhau, trong thông tin quang cũng có nhiều phơng pháp điều biến tín hiệu điện vào bức xạ quang. Các hệ thống hiện nay đang làm việc theo nguyên lý điều biến trực tiếp cờng độ ánh sáng, còn các hệ thống coherence trong tơng lai thì áp dụng nguyên lý điều biến gián tiếp bằng cách điều pha hoặc điều tần các tia bức xạ coherence là các bức xạ kết hợp. Tín hiệu ra phát (điểm C) là tín hiệu quang, khác với tín hiệu ra tại điểm C trên hình 1.a là các tín hiệu cao tần đợc điều biến về biên độ hoặc pha hoặc tần số. Sợi quang để truyền dẫn ánh sáng của nguồn bức xạ (E/O) đã điều biến, có vai trò nh kênh truyền dẫn trên hình 1.a. Bộ biến đổi quang điện (O/E) là bộ thu quang, tiếp nhận ánh sáng từ sợi quang đa vào và biến đổi trở lại thành tín hiệu nh tín hiệu phát đi. Nó có vai trò nh bộ giải trên hình 1.a. Tín hiệu vào của hai bộ này (điểm D) khác dạng nhau (điện và quang), nhng tín hiệu ra của chúng (điểm B) là tín hiệu điện giống nhau để đa vào phần tử điện tử, tách ra tín hiệu thu giống nh tín hiệu phát đi ở nguồn tin ban đầu. Bộ phận tải tin: Trong hệ thống điện, tải tin là các sóng điện từ cao tần, trong hệ thông tin quang, ánh sáng là sóng điện từ có tần số rất cao (cỡ 10 14 -10 15 ) Hz do vậy tải tin quang rất thuận lợi cho tải các tín hiệu băng rộng. Về vấn đề chuyển tiếp tín hiệu: Cũng nh ở hệ thống điện, tín hiệu truyền đa trên đờng truyền bị tiêu hao, nên sau một khoảng cách nhất định phải có trạm lặp để khuyếch đại (tín hiệu analog) hoặc tái sinh tín hiệu (digital). Hiện nay cha thực hiện đợc khuyếch đại hoặc tái sinh tín hiệu quang, nên tại các trạm khuyếch đại trung gian hoặc các trạm lặp phải thực hiện ba bớc sau: - Chuyển đổi tín hiệu từ tín hiệu quang sang tín hiệu điện. - Sửa đổi dạng tín hiệu đã bị méo hoặc tái sinh dới dạng điện. - Chuyển đổi tín hiệu điện đã đợc khuyếch đại hoặc tái sinh tín hiệu quang để tiếp tục phát đi. 4 II. Cấu tạo và phân loại sợi quang 1. Cấu tạo sợi quang Hình 1.2. Cấu tạo sợi quang Sợi quang thờng có tiết diện tròn, đờng kính từ (100-400)m gồm hai phần: Phần lõi dẫn quang đặc có chiết suất n 1 , bán kính là a và đờng kính d k và phần vỏ có chiết suất n 2 (n 2 <n 1 ) bao xung quanh lõi và có đờng kính là d m . Các tham số n 1 , n 2 , a quyết định đặc tính truyền dẫn của sợi quang. Ngời ta gọi đó là các tham số cấu trúc. Ta có độ lệch chiết suất n = n 1 - n 2 Và độ lệch chiết suất tơng đối: 2 2 1 2 2 1 1 2 1 2 2. n n n n n n n n n = = = (1.1) Hai tham số này cũng quyết định đặc tính truyền dẫn của sợi. Căn cứ vào sự phân bố chiết suất của lớp lõi, ngời ta chia sợi quang thành hai dạng: Dạng sợi quang mà lõi có chiết suất không đổi gọi là sợi quang giật cấp và dạng có phần lõi có chiết suất phân bố giảm dần từ trong ra ngoài gọi là sợi quang liên tục. 2. Phân loại sợi quang: 5 Dựa vào các đặc điểm cấu tạo của sợi quang nh chiết suất, loại vật liệu và mode truyền dẫn ngời ta có ba cách phân loại sợi quang nh sau: 2.1. Phân loại theo vật liệu: Ta có ba loại sợi quang thuỷ tinh đa vật liệu,sợi quang thạch anh và sợi quang bằng nhựa. Các sợi quang thạch anh không chỉ chứa thạch anh nguyên chất (SiO 2 ) mà còn có các tạp chất thêm vào nh Ge, B và F . để làm thay đổi chiết suất khúc xạ. Các sợi quang đa vật liệu có thành phần chủ yếu là Sodalime, thuỷ tinh hoặc thuỷ tinh Bo-silicat và các kim loại kiềm làm chất phụ gia nh Na, Ca, . Đối với các sợi quang bằng nhựa thì các nguyên liệu chủ yếu là silicon. Trong thực tế sử dụng thì sợi thuỷ tinh thạch anh đợc sử dụng nhiều nhất vì nó có khả năng cho sản phẩm có độ hao phí thấp và có tính truyền dẫn ổn định trong thời gian dài. 2.2. Phân loại theo mode lan truyền: Theo mode lan truyền ngời ta phân sợi quang thành hai loại. Một là sợi quang đơn mode loại sợi này chỉ cho một mode lan truyền. Loại sợi thứ 2 là loại đa mode cho phép nhiều mode lan truyền . 2.3. Phân loại theo chiết suất: Trong phân loại này sợi quang cũng đợc chia làm hai loại. Một là sợi quang chiết suất phân bậc (viết tắt là sợi SI), loại sợi này chiết suất thay đổi theo bậc giữa lõi và vỏ, nó đợc dùng ở chế độ đơn mode và đa mode. Loại thứ hai gọi là sợi quang có chiết suất biến đổi (sợi quang GI) loại sợi này có chiết suất thay đổi liên tục từ lõi đến vỏ. a, Sợi quang loại SI (đa mode) 6 b, Sợi quang loại GI c, Sợi quang loại SM (đơn mode) Hình 1.3. Sự lan truyền của ánh sáng trong các loại sợi khác nhau III. Điều kiện lan truyền mode dẫn truyền trong các sợi quang giật cấp Để một mode dẫn truyền đợc trong một sợi quang giật cấp cần thoả mãn những điều kiện sau đây: 1. Điều kiện phản xạ toàn phần: Để đợc dẫn truyền trong sợi quang tia sáng phảI có góc tới thoã mãn điều kiện phản xạ toàn phần sin 2 1 n n hay m =arcsin( 2 1 n n ) (1.2) 2. Điều kiện giao thoa: Xét quá trình lan truyền của sóng ở trong sợi quang đợc mô tả ở hình 1.4. Sóng lan truyền trong sợi quang sau khi phản xạ liên tiếp tại các thành biên của sợi. 7 Hình 1.4. Sơ đồ giải thích các mode đợc phép dẫn truyền trong sợi quang Nh vậy trong sợi quang có sự lan truyền của sóng tới và sóng phản xạ, chúng gặp nhau và có thể giao thoa với nhau. Để tránh sự triệt tiêu năng lợng do sự giao thoa của các sóng tới và sóng phản xạ không cùng pha thì độ lệch pha tổng cộng giữa hai điểm A và B nằm trên trục lõi phải thoã mãn điều kiện: 1 2. . . 2. 2. cos m k n d m = (1.3) với m=1, 2, 3 , . Trong đó d là đờng kính của lõi ; 2 k = là số sóng. Suy ra 1 2. . . 2. 2. cos m k n d m = + Từ đó ta nhận đợc: 1 1 2. . . 2. ( / ) cos ( . ) ( / ) m n d n d m m = = + + (1.4) Vì rất nhỏ so với nên ta có thể bỏ qua / Khi đó ta có thể viết gần đúng 1 2. ( / ) cos m n d m = (1.5) 3. Điều kiện biên: Để ánh sáng lan truyền liên tiếp phản xạ toàn phần tại mặt biên của lõi và vỏ thì cần thiết phải có điện trờng giới hạn trong lõi sợi do vậy tại mặt biên thì cờng độ điện trờng 0 = E do sự giao thoa của sóng tới và sóng phản xạ. Từ điều kiện cho cực tiểu giao thoa, chúng ta nhận đợc biểu thức để cờng độ điện trờng 0 = E là : 8 .sin .cos (2. 1). / 2 m m d d m = = + (1.6) với m = 0, 1, 2, 3, ., N-1. trong đó m là số thứ tự mode và N là số mode có thể. Nh vậy trong sợi quang có nhiều mode, mỗi mode lan truyền theo một hớng khác nhau và dẫn đến sự tán sắc giữa các mode. V. u điểm của kỹ thuật truyền dẫn quang.Ư So với các hệ thống truyền dẫn trên cáp kim loại, hệ thống truyền dẫn trên cáp quang có những u điểm sau: - Sợi quang nhỏ và nhẹ hơn các cáp kim loại, đờng kính mẫu của sợi quang là 0.1mm, nhỏ hơn rất nhiều so với sợi cáp đồng trục có đờng kính 10mm. - Cáp sợi quang nhỏ hơn sợi cáp kim loại, nhẹ hơn, dễ uốn cong, chi phí vật liệu chế tạo cáp ít, cáp lại đợc lắp đặt dễ dàng và thuận tiện, ngay cã bằng tay. Các cáp quang hiện nay cho phép tăng đợc nhiều kênh truyền dẫn mà chỉ tăng đờng kính rất ít. - Sợi quang đợc chế tạo từ thuỷ tinh thạch anh là môi trờng trung tính với ảnh hởng của nớc, axit, kiềm nên không sợ bị ăn mòn, và ngay cả khi lớp vỏ bảo vệ bên ngoài có bị h hỏng nhng sợi thuỷ tinh còn tốt thì vẫn bảo đảm truyền tin tốt. Nó hoàn toàn cách điện và không bị chập mạch. - Tín hiệu truyền trong sợi quang không sợ ảnh hởng của điện từ tr- ờng ngoài, nên có thể sử dụng sợi để cho các hệ thống thông tin ở những nơi có nhiễu điện từ trờng mạnh nh trong các nhà máy điện mà không cần che chắn ảnh hởngđiên từ. Do nhẹ và không bị ảnh hởng của điện từ nên sợi quang cũng đợc sử dụng nhiều trong máy bay, tàu thuỷ hoặc trong công nghiệp để truyền số liệu. Không gây nhiễu ra bên ngoài và cũng không gây xuyên âm giửa các sợi quang, đảm bảo không nghe trộm. 9 Vì sợi quang là sợi điện môi nên đầu vào và đầu ra hoàn toàn cách điện và không có mạch vòng chạy qua đất. Trong sợi quang. các tiêu hao nhỏ không phụ thuộc vào tần số tín hiệu và tiêu hao nhỏ trong giải tần rộng nên cho phép truyền dẫn băng rộng, truyền đợc tốc độ lớn hơn cáp kim loại khi cùng chi phí xây dựng. Trong tơng lai làm cáp thuê bao cho các dịch vụ giải rộng cũng rất phù hợp. - Cự ly khoảng lặp lớn hơn của cáp kim loại rất nhiều . Ngời ta tính toán rằng nếu chế tạo đợc 100.000 km/năm thì giá thành một hệ thống truyền dẫn quang chỉ bằng 1/10 giá thành của hệ thống truyền dẫn trên cáp kim loại có cùng năng lực truyền dẫn. Chơng II - Cơ sở lý thuyết về truyền sóng trong cáp quang 2.1. Sóng điện từ Nh chúng ta đã biết ánh sáng là song điện từ vì vậy trớc khi xét đến sự lan truyền ánh sáng trong các hệ đặc biệt nh linh kiện dẫn sóng sợi quang.chúng ta sẽ nhắc đến một số khái niệm cơ bản trong sóng điện từ 2.1.1. Hệ phơng trình Maxwell Xuất phát từ hệ phơng trình Maxwell: 10 . của hai cách khảo sát này là nh nhau. Chơng III Các đặc tính truyền dẫn của sợi quang. Các đặc tính truyền dẫn của sợi quang bao gồm các ảnh hởng của các. chúng tôi đặt vấn đề nghiên cứu: Sợi quang và các đặc tính truyền dẫn của sợi quang Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung của luận văn gồm ba ch- ơng: Chơng