Ảnh hưởng của sự tán sắc lên quá trình truyền thông tin trong sợi quang

Bộ giáo dục đào tạo trường đại học vinh Trương Đức Quỳnh Ảnh hưởng của tán sắc lên q trình truyền thơng tin sợi quang Chun ngành : Quang học Mã số: 62441101 Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Văn Khiêm Vinh- 2007 Lời cảm ơn Với tình cảm trân trọng em xin cảm ơn thầy, cô khoa vật lý, khoa đào tạo sau đại học, cán giảng dạy lớp cao học 13 quang học Em xin đặc biệt cảm ơn người thầy hướng dẫn TS Nguyễn Văn Khiêm, người dành nhiều cơng sức, tận tình hướng dẫn em hoàn thành luận văn Em xin đợc cảm ơn thầy giáo TS Dương Cơng Hiệp có nhiều đóng góp q báu để luận văn hồn thiện Xin cảm ơn gia đình, bạn bè động viên, tạo điều kiện suốt trình học tập nghiên cứu Mục lục Nội dung Trang Phần I: Mở đầu Phần II: Nội dung Chương I Sợi quang 1.1 Sợi quang 1.1.1 Cấu tạo sợi quang 1.1.2 Các đặc tính sợi dẫn quang 1.1.3 Sự mơ tả quang hình học 1.1.3.1 Sợi quang chiết suất bước 1.1.3.2 Sợi quang chiết suất liên tục 1.1.4 Hệ phương trình Maxwell 1.1.5 Sợi quang đa mode 12 1.1.6 Sợi quang đơn mode 16 20 1.2 Sự tán sắc sợi quang đơn mode 1.2.1 Sự tán sắc vận tốc nhóm 20 1.2.2 Sự tán sắc vật liệu 22 1.2.3 Sự tán sắc ống dẫn sóng 24 1.2.4 Sự tán sắc bậc cao 25 1.2.5 Sự tán sắc phân cực 26 Chương II Giới hạn gây tán sắc ảnh hưởng 29 q trình truyền xung 2.1 Phương trình truyền lan 29 2.2 Xung Gauss chirp 31 2.3 Sự giới hạn tốc độ bít 33 2.4 Độ rộng sợi 37 Chương III Khảo sát mở rộng xung, tốc độ truyền bít 40 chiều dài cực đại sợi 3.1 Khảo sát chiều dài sợi theo tham số chirp C 40 3.2 Khảo sát chiều dài sợi bước sóng khơng tán sắc 42 3.3 Xác định độ rộng xung theo chiều dài L 43 3.4 Khảo sát tốc độ truyền bít bước sóng xa bước sóng 44 không tán sắc 3.5 Khảo sát tốc độ truyền bít bước sóng khơng tán sắc 46 49 Phần III: Kết luận 50 Tài liêu tham khảo Phần I: Mở đầu Ngày công nghệ quang học áp dụng rộng rãi khoa học kỹ thuật đời sống, đặc biệt thông tin viễn thông Sự phát triển ngành công nghệ viễn thông ảnh hưởng trực tiếp tới hầu hết ngành kinh tế, xã hội khoa học Trước yêu cầu đòi hỏi ngành phải ngày nâng cao chất lượng truyền thông tin Đặc biệt giai đoạn nay, giai đoạn bùng nổ thơng tin ảnh hưởng lớn Trong thời gian tới tương lai yêu cầu phát triển ngành ngày cao, yêu cầu nâng cao chất lượng thông tin yêu cầu trước tiên quan trọng Quá trình thuyền tin sợi quang khâu trình truyền tin Quá trình chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố, chất lượng thông tin bị ảnh hưởng không giải triệt để Khi tín hiệu truyền sợi quang, chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố Một yếu ảnh hưởng lớn đến truyền tín hiệu quang yếu tố tán sắc Khi bị ảnh hưởng tán sắc xung truyền sợi quang bị thay đổi so với tín hiệu vào thơng tin bị thay đổi Bài toán tán sắc nhiều tác giả giải cụ thể xây dựng phương trình truyền sóng sợi quang, xác định loại tán sắc ảnh hưởng lên trình truyền thơng tin Trên sở kết có vấn đề đặt khảo sát ảnh hưởng tán sắc lên chiều dài sợi Sự mở rộng xung tốc độ truyền bít, từ tìm thơng số tối ưu cho việc lắp đặt hệ thống thông tin thực tế Với lý chúng tơi chọn đề tài: "ảnh hưởng tán sắc lên trình truyền thông tin sợi quang” Nội dung luận văn trình bày chương: Chương I chúng tơi trình bày sợi quang ảnh hưởng tán sắc q trình truyền dẫn thơng tin quang Chương II chúng tơi trình bày giới hạn gây tán sắc, đưa biểu thức cụ thể mở rộng xung giới hạn tốc độ truyền bít trường hợp Chương III chúng tơi khảo sát chiều dài sợi , độ rộng xung giới hạn tốc độ bít q trình truyền xung Phần II: NộI DUNG Chương I Sợi quang 1.1 Sợi quang 1.1.1 Cấu tạo phân loại sợi quang Sợi quang có cấu trúc ống dẫn sóng hoạt động dãi tần số quang, có dạng hình trụ bình thường có chức dẫn ánh sáng lan truyền theo hướng song song với trục Cấu trúc sợi quang gồm lỏi hình trụ làm vật liệu rắn suốt bao quanh lỏi lớp vỏ phản xạ hình ống đồng tâm với lỏi có chiết suất nhỏ chiết suất lỏi Vật liệu cấu tạo lỏi thường thuỷ tinh, vỏ phản xạ thuỷ tinh chất dẻo suốt, loại sợi có cấu trúc vật liệu thường có suy hao nhỏ trung bình Để tránh trầy xước lớp vỏ tăng thêm độ bền học, sợi quang thường bao bọc thêm môt lớp chất dẻo Lớp vỏ bảo vệ ngăn chặn tác động học vào sợi, bảo vệ sợi không bị gợn sóng, kéo dãn cọ xát bề mặt Việc phân loại sợi quang phụ thuộc vào thay đổi thành phần chiết suất lỏi sợi Loại sợi có số chiết suất đồng lỏi sợi gọi sợi có số chiết suất bước Loại sợi có chiết suất lỏi giảm dần từ tâm lỏi tiếp giáp lỏi vỏ phản xạ gọi sợi có số chiết suất liên tục Nếu phân chia theo mode truyền dẫn có loại sợi đa mode sợi đơn mode Sợi đa mode cho phép nhiều mode truyền dẫn đó, cịn sợi đơn mode cho phép mode truyền Nếu phân chia theo loại vật liệu có sợi thuỷ tinh sợi lỏi thuỷ tinh vỏ chất dẻo, sợi thuỷ tinh nhiều thành phần sợi chất dẻo 1.1.2 Các đặc tính sợi dẫn quang Thứ sợi quang truyền khối lượng thơng tin lớn tín hiệu âm thanh, liệu tín hiệu hổn hợp thơng qua hệ thống có cự li đến 100GH/km sợi có băng thơng rộng Các tín hiệu âm hình ảnh truyền xa hàng trăm km mà không cần đến tái tạo Thứ hai, sợi quang chế tạo từ chất điện môi nên chúng không chịu ảnh hưởng nhiễu điện từ Vì lắp đặt cáp điện lực Thứ ba, nguyên liệu sản xuất cát chất dẻo nguyên liệu rẻ đồng nhiều sẵn có nên kinh tế cáp đồng giá thành sản xuất giảm Thứ tư, sợi quang nhỏ nhẹ nên lắp đặt dễ dàng thành phố, tàu thuỷ, máy bay nhà cao tầng không cần lắp đặt thêm đường cống ống cáp Ngồi ra, sợi quang có độ tổn thấp, khơng bị rị rỉ tín hiệu đảm bảo an tồn bảo mật thông tin cao, tuổi thọ cú khả đề kháng với môi trường lớn dễ dàng bảo dưỡng sữa chữa Do ưu điểm đó, sợi quang sử dụng nhiều lĩnh vực mạng điện thoại, phát truyền hình, truyền liệu máy tính ứng dụng y tế, quân thiết bị đo 1.1.3 Sự mô tả quang hình học Sự truyền tín hiệu sợi quang mơ tả quang hình học phương trình Maxwell Quang hình học phép gần bước sóng ánh sáng tương đối nhỏ so với kích thước hệ Mẫu sợi quang đơn giản gồm lỏi hình ống, bao quanh Vỏ ngồi Lớp sơn phủ vỏ bọc có số chiết quang Lõi thấp lỏi Vì lỏi chiết suất nên khác 6Khoảng cách xuyên tâm Chỉ số lớp vật liệu Chỉ số lớp vật liệu vỏ bọc có khác Khoảng cách xuyên tâm gọi số bậc sợi Phụ thuộc vào thay đổi số chiết suất lõi mà ta có số bậc sợi khác Đối với Hình 2.1 Cấu tạo sợi sợi có số bậc khác quang đường tia sáng lõi khác 1.1.3.1 Sợi quang chiết suất bước Ta khảo sát hình 2.2a, tia sáng tạo với trục sợi góc  i , tia sáng vào sợi bị khúc xạ tạo với trục góc  r xác định: n0sin  i =n1sin  r (1.1) với n0, n1 chiết quang khơng khí lỏi Tia sáng giữ bên sợi góc tới lớn góc giới hạn, xác định biểu thức: sin c  n2 n1 (1.2) Với n2 chiết quang vỏ bọc Các tia có c   khác có thành phần vận tốc theo trục z khác cụ thể: v z  c sin 1 Sự phụ thuộc vận tốc vào 1 dẫn đến thời gian n1 trễ khác truyền tức có tán sắc Nếu phản Tia khơng dẫn xạ tồn phần xuất tồn sợi dây tia sáng Lõi (n1) theo lỏi sợi dây Tia dẫn Lớp sơn phủ (n2) từ đầu đến đầu Điều xẩy với tất tia sáng thoả mãn   c Hình2.2a: Đường truyền tia sáng sợi quang chiết suất bước Đây chế để giữ tia sáng sợi quang Từ (1.1) (1.2) ta có : Với  r =  -  c thay vào phương trình (1.1) ta n0sin  i =n1sin  c = n12  n22 (1.3) n0sin  i đặc trưng cho độ dễ ghép ánh sáng vào sợi quang để truyền đi, hay đặc trưng cho khả thu sáng sợi quang, ký hiệu NA Với n1 ~n2 , NA gần là: NA=n(2  )1/2 Với  =(n1-n2)/n1 (1.4) Với  thay đổi số tương đối chổ tiếp xúc lỏi vỏ bọc Như cần tạo  lớn tốt để tia sáng dễ dàng có phản xạ lỏi Tuy nhiên sợi không phù hợp cho truyền thông quang học ảnh hưởng tán sắc nhiều đường Tán sắc nhiều đường hiểu xem xét hình 2.2, tia sáng chạy đường dẫn có chiều dài khác khác Những tia sáng tán sắc đầu dù chúng đầu vào chạy tốc độ bên sợi dây Kết xung ngắn rộng đáng kể Có thể đánh giá phạm vi ảnh hưởng mở rộng xung việc xem xét đường dẫn ngắn dài Đường dẫn ngắn  i =0 chiều dài chiều dài L Đường dẫn dài  i xác định phương trình (1.3) chiều dài L/sin  c Với vận tốc truyền sóng v=c/n1 thời gian trễ xác định: n1 Ln12 L T  (  L)   c sin c cn (1.5) Chúng ta liên hệ T với khả truyền thông tin sợi thông qua tốc độ truyền bít B Mặc dù mối liên hệ B T phụ thuộc vào nhiều yếu tố hình dạng xung B Rõ ràng T phải bé TB (TB= ) Như đánh giá tốc độ truyền bít thu từ điều kiện B T