Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật thông tin quang
Từ các ưu điểm trên mà hệ thống thơng tin quang được áp dụng rộng rãi
trên mạng lưới. Có thể xây dựng làm các tuyến đường trục, trung kế, liên tỉnh,
th bao kéo dài cho tới cả việc truy nhập vào mạng th bao linh hoạt đáp ứng
mọi mơi trường, hệ thống thơng tin quang cũng rất phù hợp cho các hệ thống
truyền dẫn số.
Hiện nay các hệ thống thơng tin quang truyền dẫn tất cả các tín hiệu dịch
vụ băng hẹp, băng rộng đáp ứng u cầu của mạng số liên kết đa dịch vụ
(ISDN).
1.4 Các lĩnh vực ứng dụng của thơng tin quang :
Ngày nay, sợi quang được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong thơng tin
liên lạc cũng như một số lĩnh vực khác. Sợi quang trong mạng lưới thơng tin
trong giai đoạn hiện nay gồm :
- Mạng đường trục quốc gia.
- Đường trung kế.
- Đường cáp thả biển liên quốc gia.
- Đường truyền số liệu.
- Mạng truyền hình.
- Mạng số đa dịch vụ.
Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật thông tin quang
CHƯƠNG II
LÝ THUYẾT CHUNG VỀ SỢI QUANG
2.1 Cơ sở quang học :
Ánh sáng dùng trong thơng tin quang trong vùng cận hồng ngoại với bước
sóng từ 800nm đến1600nm. Đặc biệt có 3 bước sóng thơng dụng đó là 850nm,
1300nm và 1550nm.
2.1.1 Chiết suất của mơi trường :
Chiết suất của mơi trường trong suốt được xác định bởi tỷ số của vận
tốc ánh sáng trong chân khơng và vận tốc ánh sáng trong mơi trường ấy.
V
C
n
=
n : Chiết suất của mơi trường, khơng có đơn vị.
C : Vận tốc ánh sáng trong chân khơng, đơn vị m/s.
V : Vận tốc ánh sáng trong mơi trường, đơn vị m/s.
Vì V ≤ C nên n ≥ 1.
Giá trị chiết suất n của khơng khí là 1,00 của nước là 1,33 của thuỷ tinh là
1,5 và của kim cương là 2,42.
Chiết suất của mơi trường phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng truyền
trong nó.
2.1.2 Các đặc tính truyền dẫn của ánh sáng :
Ánh sáng lan truyền trong các mơi trường có 3 đặc tính cơ bản đó là : sự
truyền thẳng, sự khúc xạ và sự phản xạ.
- Sự truyền thẳng :
Khi ánh sáng lan truyền từ một điểm A đến một điểm B trong một mơi
trường đồng nhất thì nó ln truyền theo đường thẳng AB sao cho thời gian lan
truyền là ngắn nhất.
- Hiện tượng khúc xạ và phản xạ :
Khi tia sáng truyền trong mơi trường một đến mặt ngăn cách mơi trường
hai thì ánh sáng chia thành hai tia : một tia phản xạ lại mơi trường một và một tia
khúc xạ vào mơi trường hai.
Tia phản xạ và tia khúc xạ quan hệ với tia tới :
+ Cùng nằm trong mặt phẳng tới.
+ Góc phản xạ bằng góc tới.
+ Góc khúc xạ : n
1
sinΦ
1
= n
2
sinΦ
2
n
1
n
2
Φ
1
Tia tới.
Tia phản xạ
Tia khúc xạ
Mơi trường 1
Mơi trường 2
Φ
2
Φ’
1
Hình 2.1 Sự phản xạ và khúc xạ của ánh sáng
Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật thông tin quang
Khi góc tới lớn hơn một góc Φ
o
nào đó thì khơng có tia khúc xạ mà ta chỉ
nhận được tia phản xạ gọi là hiện tượng phản xạ tồn phần.
Φ
o
= n
2
/n
1.
Người ta ứng dụng hiện tượng phản xạ tồn phần trong việc truyền dẫn sợi
quang. Sợi quang gồm có : lõi có chiết suất n
1
và lớp bọc có chiết suất n
2
. Khi
ánh sáng đi vào sợi quang sẽ được phản xạ nhiều lần. Do đó, có thể truyền đi với
khoảng cách xa.
2.1.3 Khẩu độ số NA :
Sự phản xạ tồn phần chỉ xảy ra đối với những tia sáng có góc tới ở đầu
sợi quang nhỏ hơn một góc giới hạn Φ
max
nào đó. Sin của góc giới hạn này gọi
là khẩu độ số (NA).
NA = sinΦ
max
2.1.4 Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang :
Cấu trúc chung của sợi quang gồm một lõi bằng thuỷ tinh có chiết suất lớn
và lớp bọc cũng bằng thuỷ tinh nhưng có chiết suất nhỏ hơn. Chiết suất của lớp
bọc khơng đổi còn chiết suất của lõi nói chung thay đổi theo bán kính ( khoảng
cách tính từ trục của sợi ra ) sự biến thiên của chiết suất được viết tổng qt :
ar
a
r
n
g
1
≤
∆−
.1
(Trong lõi)
n(r)=
2
n
a < r ≤ b (Lớp bọc)
Trong đó n
1
: là chiết suất lớn nhất ở lõi.
n
2
: là chiết suất lớp bọc.
1
21
n
nn
−
=∆
: 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 mũ quyết định dạng biến thiên, g≥1.
Các giá trị thơng dụng của g :
g = 1 : Dạng tam giác.
g = 2 : Dạng Parabol.
g → ∞ : Dạng nhảy bậc.
2.2 Phân loại sợi quang :
2.2.1 Phân loại theo vật liệu điện mơi :
Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật thông tin quang
Khi phân loại theo vật liệu điện mơi thì có tổng số 3 loại, một loại sợi
bao gồm phần lớn thủy tinh thạch anh, một loại gồm nhiều loại vật liệu
thủy tinh và một loại là sợi bằng nhựa.
Các sợi quang thạch anh khơng những chứa thạch anh ngun chất
(SiO
2
) mà còn có các tạp chất thêm vào như Ge, B và F… để làm thay đổi
chiết xuất khúc xạ.
Các sợi quang đa vật liệu có thành phần chủ yếu soda lime, thủy tinh
hoặc thủy tinh boro - silicat … Đối với vật liệu sản xuất sợi quang bằng
nhựa, silicon resin ( tức là Polymethyl methacrylate : PMMA ) thường
được sử dụng.
Đối với mạng lưới viễn thơng, sợi quang thủy tinh thạch anh được sử
dụng nhiều nhất bởi vì nó có khả năng cho sản phẩm có độ suy hao thấp và
các đặc tính truyền dẫn ổn định trong thời gian dài. Nhưng các loại sợi
bằng nhựa thường được sử dụng ở những nơi cần truyền dẫn cự ly ngắn,
khó đi cáp bằng máy móc, thuận tiện trong sử dụng lắp đặt thủ cơng ( như
dễ dàng hàn nối, khơng phương hại đến các đặc tính truyền dẫn khi bẻ gập
… ) mặc dù loại này có đặc tính truyền dẫn kém.
2.2.2 Phân loại theo phân bố chỉ số khúc xạ :
Các sợi quang có thể phân loại thành hai nhóm theo phân bố chỉ số khúc
xạ của lõi sợi. Một loại là sợi quang có chiết xuất nhảy bậc SI ( Step Index ).
Loại thứ hai gọi là sợi quang có chiết xuất giảm dần GI ( Graded Index )
2.2.2.1 Sợi quang có chiết suất nhảy bậc SI ( Step Index ) :
Là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và của lớp bọc
khác nhau một cách rõ rệt như hình bậc thang. Các tia sáng từ nguồn quang
phóng vào đầu sợi với góc tới khác nhau sẽ truyền theo những đường khác nhau
như hình 2.2.
b
a
0
n(r)
Các tia sáng truyền trong lõi sợi với cùng vận tốc.
n
2
n
1
n
2
n
2
n
1
> n
2
Hình 2.2 Sự truyền ánh sáng trong sợi SI
Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật thông tin quang
( Vì ν = C/n
1
ở đây n
1
khơng đổi ) mà đường dài đường truyền khác nhau
nên thời gian truyền sẽ khác nhau trên cùng một chiều dài sợi. Điều này dẫn tới
hiện tượng :
Khi đưa một xung ánh sáng hẹp vào đầu sợi lại nhận được một xung ánh
sáng rộng hơn ở cuối sợi, đây là hiện tượng tán sắc.
Do có hiện tượng tán sắc lớn nên sợi SI khơng thể truyền tín hiệu số có
tốc độ cao qua cự ly dài được.
2.2.2.2 Sợi quang có chiết suất giảm dần GI ( Graded Index ) :
Sợi GI có dạng phân bố chiết suất lõi hình Parabol, vì chiết suất lõi thay
đổi một cách liên tục nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong dần hình 2.3.
Đường truyền của các tia sáng trong sợi GI khơng bằng nhau, vận tốc
truyền cũng thay đổi theo. Các tia truyền xa trục có đường truyền dài hơn nhưng
có vận tốc lớn hơn và ngược lại. Các tia gần trục có đường truyền ngắn hơn, vận
tốc truyền lại nhỏ hơn. Tia truyền dọc theo trục có đường truyền ngắn nhất. Nếu
chế tạo chính xác sự phân bố chiết suất theo đường Parabol ( g=2 ) thì đường đi
của các 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.
2.2.3 Phân loại theo Mode lan truyền :
Theo Mode lan truyền, sợi quang được chia thành hai nhóm. Một là sợi
quang đơn mode ( được gọi tắt là SM : single mode ). Loại sợi thứ hai là loại đa
mode ( được gọi tắt là MM : multi mode ).
2.2.3.1 Mode sóng :
Mode sóng là một trạng thái truyền ổn định của ánh sáng trong sợi, khi
truyền trong sợi ánh sáng đi theo nhiều đường, trạng thái ổn định của các đường
này được gọi là những mode.
2.2.3.2 Sợi đơn mode:
Sợi đơn mode là loại sợi chỉ cho một mode sóng lan truyền.
n(r)
n
1
n
2
n
2
n
2
Hình 2.3 Sự truyền ánh sáng trong sợi GI
Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật thông tin quang
Vì chỉ có một mode sóng truyền trong sợi nên độ tán sắc do nhiều đường
truyền bằng khơng và sợi đơn mode có dạng phân bố chiết suất nhảy bậc hình
2.4
Hình 2.4 Sự truyền ánh sáng trong sợi đơn mode
Các thơng số thơng dụng của sợi đơn mode :
- Đường kính lõi d = 9µm ÷ 10µm.
- Đường kính lớp bọc: D = 125µm.
- Độ chênh lệch chiết suất ∆ = 0,003 = 0,3%.
- Chiếc suất lõi : n
1
= 1,46.
2.2.3.3 Sợi đa mode:
Sợi đa mode là sợi có nhiều mode sóng lan truyền.
Các thơng số của loại sợi đa mode thơng dụng (50/125µm) là:
- Đường kính lõi d = 50µm.
- Đường kính lớp bọc D = 125µm.
- Độ chênh lệch chiết suất ∆ = 0,01 =1%.
- Chiết suất lớn nhất của lõi n
1
= 1,46.
Sợi đa mode có thể có chiết suất nhảy bậc hoặc chiết suất giảm dần như
hình 2.5
125 µm
n
1
n
2
9 µm
%3,0=∆
50 µm
50 µm
125 µm 125 µm
n
1
n
2
n
2
n
1
a) Sợi SI b) Sợi GI
%1
1
21
=
−
=∆
n
nn
Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật thông tin quang
Hình 2.5 Kích thước sợi đa mode
CHƯƠNG III
CÁC THƠNG SỐ CỦA SỢI QUANG
3.1 Suy hao của sợi quang :
3.1.1 Định nghĩa :
Cơng suất quang truyền tải sợi cũng giảm dần theo cự ly với qui luật hàm
số mũ tương ứng như tín hiệu điện. Biểu thức của hàm số truyền cơng suất có
dạng :
z
PzP
10
0
10)(
α
−
×=
Trong đó:
P
(0)
: Cơng suất ở đầu sợi ( z = 0 ).
P
(1)
: Cơng suất ở cự ly z tính từ đầu sợi.
α : Hệ số suy hao.
- Hệ số suy hao của sợi được tính theo cơng thức:
( )
2
1
lg10
P
P
A
dB
=
Trong đó : P
1
= P
(0)
Cơng suất đưa vào đầu sợi.
P
2
= P
(1)
Cơng suất ở cuối sợi.
- Hệ số suy hao trung bình:
( )
( )
( )
kmL
dBA
kmdB
=
/
α
Trong đó:
A : Suy hao của sợi.
L
z
)(
2
LPP =
01
PP =
Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật thông tin quang
L : Chiều dài của sợi.
3.1.2 Các ngun nhân gây tổn hao trên sợi quang :
Cơng suất truyền trên sợi quang thất thốt do sự hấp thụ của vật liệu, sự
tán xạ của ánh sáng và sự khúc xạ chổ sợi bị uốn cong.
3.1.2.1 Suy hao do hấp thụ :
+ Sự hấp thụ của 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), chromium (Cr), cobal (Co), nikel (Ni)…
Mức độ hấp thụ của từng tạp chất phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và
bước sóng ánh sáng truyền qua nó.
Để có được sợi quang có độ suy hao dưới 1 dB/km cần phải có thuỷ
tinh thật tinh khiết với nồng độ tạp chất khơng q một phần tỷ ( 10
-9
).
+ Sự hấp thụ của ion OH
:
Các liên kết giữa SiO
2
và các ion OH của nước còn sót lại trong vật liệu
khi chế tạo sợi quang cũng tạo ra mật độ suy hao hấp thụ đáng kể. Đặc biệt độ
hấp thụ tăng vọt ở các bước sóng 950nm, 1240nm và 1400nm. Như vậy độ ẩm
cũng là một trong những ngun nhân gây suy hao sợi quang. Trong q trình
chế tạo nồng độ của các ion OH trong lõi sợi được giữ ở mức dưới một phần tỷ (
10
–9
) để giảm độ hấp thụ của nó.
+ Sự hấp thụ bằng cực tím và hồng ngoại :
Ngay cả khi sợi quang được chế tạo từ thuỷ tinh có độ tinh khiết cao thì
sự hấp thụ vẫn xảy ra. Bản thân thuỷ tinh tinh khiết cũng hấp thụ ánh sáng vùng
cực tím và hồng ngoại. Độ hấp thụ này thay đổi theo bước sóng.
3.1.2.2 Suy hao do tán xạ :
+ Tán xạ Rayleigh :
Khi sóng điện từ truyền trong mơi trường điện mơi gặp những chổ
khơng đồng nhất trong sợi quang do cách sắp xếp các phần tử thuỷ tinh, các
khuyết tật như bọt khơng khí, các vết nứt sẽ xãy ra hiện tượng tán xạ. Các tia
truyền qua những chỗ khơng đồng nhất này sẽ tạo ra nhiều hướng, chỉ một phần
năng lượng ánh sáng tiếp tục truyền theo hướng củ, phần còn lại truyền theo
hướng khác thậm chí truyền ngược lại nguồn quang.
Độ tiêu hao do tán xạ Rayleigh tỷ lệ nghịch với luỷ thừa bậc 4 của bước
sóng ( λ
-4
) nên giảm nhanh về phía bước sóng dài. Ở bước sóng 850nm suy hao
do tán xạ Rayleigh của sợi silica khoảng 1÷2 dB/km, ở bước sóng 1300nm suy
hao chỉ khoảng 0.3 dB/km và ở bước sóng 1550nm suy hao này còn thấp hơn
nữa.
+ Tán xạ do mặt phân cách giữa lõi và lớp bọc khơng hồn hảo :
Khi tia sáng truyền đến những chổ khơng hồn 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 hạn sẽ khúc xạ lớp bọc
và suy hao dần.
3.1.2.3 Suy hao do bị uốn cong :
Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật thông tin quang
+ Vi uốn cong :
Khi sợi quang bị chèn ép tạo nên những chổ uốn cong nhỏ thì suy hao
của sợi cũng tăng lên. Suy hao này xuất hiện do tia sáng bị lệch trục đi qua
những chổ vi uốn cong đó. Một cách chính xác hơn, sự phân bố trường bị xáo
trộn khi đi qua những chổ uốn cong và dẫn tới sự phát xạ năng lượng ra khỏi sợi.
Đặc biệt là sợi đơn mode rất nhạy với những chổ vi uốn cong nhất là về phía
bước sóng dài.
+ Uốn cong :
Khi sợi bị uốn cong với bán kính uốn cong càng nhỏ đi thì suy hao càng
tăng.
3.1.3 Đặc tuyến suy hao :
Đặc tuyến suy hao điển hình của loại sợi quang đơn mode cấu tạo bằng
thuỷ tinh SiO
2
pha hợp chất GeO
2
như hình 3.1 dưới đây :
Hình 3.1 Đặc tuyến suy hao của sợi quang
Đặc tuyến suy hao của sợi quang có 3 vùng bước sóng suy hao thấp, còn
gọi là 3 cửa sổ suy hao :
+ Cửa sổ thứ nhất : ở bước sóng 850nm, được coi là có suy hao thấp nhất
đối với những sợi quang chế tạo ở giai đoạn đầu. Suy hao trung bình ở bước
sóng này từ 2÷3 dB/km. Ngày nay bước sóng này ít được dùng vì suy hao đó
chưa phải là thấp nhất.
+ Cửa sổ thứ hai : ở bước sóng 1310nm, suy hao ở bước sóng này tương
đối thấp, khoảng từ 0,4÷0,5 dB/km. Đặc biệt ở bước sóng này độ tán sắc rất thấp
nên được sử dụng rộng rãi hiện nay.
+ Cửa sổ thứ ba : ở bước sóng 1550nm, hiện nay suy hao ở bước sóng này
là thấp nhất có thể dưới 0,2dB/km.
3.2 Tán sắc :
850 1310 1550 λ(nm)
5
4
3
2
1
0
α
(dB/km)
1990
1978
Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật thông tin quang
Tương tự như tín hiệu điện, tín hiệu quang truyền qua sợi quang cũng bị
biến dạng. Hiện tượng này được gọi là tán sắc. Sự tán sắc làm méo dạng tín hiệu
analog và làm xung bị chồng lấp trong tín hiệu digital. Sự tán sắc làm hạn chế
giải thơng của đường truyền dẫn quang.
3.2.1 Định nghĩa độ tán sắc :
Tán sắc là sự trải rộng của xung ánh sáng khi nó được truyền đi trong sợi
quang.
Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang D(s) được xác định bởi :
2
1
2
0
ττ
−=
D
Trong đó:
10
,
ττ
: là độ rộng xung vào và xung ra.
Đơn vị của
10
,
ττ
là (s) hoặc các ước số của nó.
3.2.2 Các ngun nhân gây tán sắc :
Sợi quang đa mode có đầy đủ các thành phần tán sắc như sau :
- Tán sắc mode (mode dispersion) : do năng lượng của ánh sáng phân tán
thành nhiều mode, mỗi mode lại truyền với vận tốc nhóm khác nhau nên thời
gian truyền khác nhau.
- Tán sắc thể (Chromatic dispersion) bao gồm :
+ Tán sắc chất liệu (material dispersion).
+ Tán sắc dẫn sóng (waveguide disperstion).
Tán sắc thể ngun nhân do tín hiệu quang truyền trên sợi khơng phải là
đơn sắc mà gồm một khoảng bước sóng nhất định. Mỗi bước sóng lại có vận tốc
tryền khác nhau nên thời gian truyền khác nhau.
3.2.2.1 Tán sắc mode :
Tán sắc mode là do ảnh hưởng của nhiều đường truyền. Hiện tượng này
chỉ xuất hiện ở sợi đa mode.
Với loại sợi đa mode (MM) có chiết suất bậc (SI), thời gian chênh lệch
giữa tia dài nhất và ngắn nhất ( hình 3.2 ) được tính như sau:
Tia 1: Tia dài nhất có độ dài :
L
L
d
θ
cos
1
=
Tia 2: Tia ngắn nhất có độ dài :
Ld
=
2
.
L
θ
c
2
1
n
2
n
1
Hình 3.2 So sánh tia dài nhất và tia ngắn nhất trong sợi
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét