Đồ Án Tốt Nghiệp - Nghiên Cứu Về Cáp Sợi Quang

Đồ án báo cáo Đề tài : nghiên cứu về cáp sợi quang Đây là đồ án báo cáo chi tiết trong quá trình học ĐH,được đánh giá chất lượng rất cao,được biên soạn nghiên cứu từ các tài liệu chuyên ngành,thực tế thực tập,… .được chắt lọc từ các tài liệu công nghệ kỹ thuật mới nhất.Đây là tài liệu thực sự bổ ích cho các bạn trẻ giúp các bạn sinh viên đạt kết quả cao khi bảo vệ đồ án,báo cáo,luận văn của mình,trinh phục tương lai của mình .Chúc các bạn thành công

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ NGÀNH ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

I Phần I

1.Cấu tạo cáp sợi quang

Cáp quang có cấu tạo gồm dây dẫn trung tâm là sợi thủy tinh hoặc plastic đã được tinh chế nhằm cho phép truyền đi tối đa các tín

hiệu ánh sáng Sợi quang được tráng một lớp lót nhằm phản chiếu tốt các tín hiệu ánh sáng và hạn chế sự gẫy gập của sợi cáp quang

Sợi cáp quang được cấu tạo từ 3 thành phần chính:

-Lõi(core)

-Lớp phản xạ ánh sáng(cladding)

-Lớp vỏ bảo vệ chính(coating)

Dung VP

1.Lớp lõi

Lõi thường được làm bằng sợi thủy tinh (glass) hoặc nhựa

(plastic) dùng để lan truyền ánh sáng

2.Lớp phản xạ

Lớp phản xạ có cấu tạo tương tự như lõi, nhưng có chiết xuất

nhỏ hơn và bao bọc xung quanh lõi giúp ánh sáng phản xạ trở lại lõi

3.Lớp bảo vệ (coating):

Thường được làm bằng nhựa PVC dùng bảo vệ sợi quang tránh

bị trầy xước trong suốt quá trình sản xuất cáp quang

II Những đặc điểm của sợi cáp quang

1.Các đặc tính của của ánh sáng

Gồm 3 vấn đề:

- Phổ của sóng điện từ

Chiết suất của môi trường

Hiện tượng phản xạ toàn phần

Để từ đó ta hiểu được sự lan truyền ánh sáng trong sợi quang

Dung VP

1.1.Phổ của sóng điện từ

Các nguồn bức xạ điện từ là dải phổ bức xạ của nó, tức là một dải

tần số của các dao động điện từ hay còn gọi là sóng điện từ được

sinh ra hoặc là dải bước sóng tương ứng

Hình 2: Các bước sóng trong thông tin

Tia tử Ngo i ại

Tia

R nghen ơnghen Tia Gamma

Tia h ng ồng ngo i ại

Tia vô Tuy n ến

1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1 900 800 700 600 500 400 mm

Tr ng ắng Tím

¸ Nh ng b ững bước sóng trong thông tin quang ước sóng trong thông tin quang c sóng trong thông tin quang

¸ Vùng sáng Nhìn th y ấy được được c

Dung VP

1.2 Chiết suất của môi trường

Chiết suất của môi trường được xác định bởi tỷ số của vận tốc

ánh sáng trong chân không và vận tốc ánh sáng trong môi trường ấy

n= C/V trong đó :

n : Chiết suất của môi trường

V : Vận tốc ánh sáng trong môi trường

Mà C  V nên n  1

Chiết suất của môi trường phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng truyền cho nó

1.3 Hiện tượng phản xạ ánh sáng toàn phần

Cho một tia sáng đơn sắc đi từ môi trường có chiết suất n1 sang

môi trường thứ hai có chiết suất n2 (n1<n2) như hình vẽ sau:

Dung VP

n2

n12

T2

Vùng phản xạ toàn phần a) (b)

Điều kiện để có phản xạ toàn phần:

- Các tia sáng phải đi từ môi trường chiết quang lớn hơn (n1)

sang môi trường kém chiết quang hơn (n2) Hay là Chiết suất n1 >

n2

- Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn

Hình 3: Hiện tượng phản xạ toàn phần

Dung VP

2 Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

Sợi quang được chế tạo gồm một lõi (core) bằng thuỷ tinh có

chiết suất n1 và một lớp bọc (cladding) bằng thuỷ tinh có chiết

suất n2 ( n1  n2 ) ánh sáng truyền trong lõi sợi quang sẽ phản xạ

nhiều lần (phản xạ toàn phần) trên mặt tiếp giáp giữa lõi và lớp

vỏ bọc

Hình 4: Nguyên lí truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

Khẩu độ số NA: là khả năng ghép luồng bức xạ quang vào sợi

với điều kiện n1 > n2 , góc tới t phải lớn hơn góc tới hạn th (t

>th)

Dung VP

3.Các thông số của sợi quang

3.1 Suy hao của sợi quang

Công suất trên sợi quang giảm dần theo hàm số mũ tương tự như tín hiệu điện Sự thay đổi công suất quang trung bình truyền trong sợi tuân theo định luật Beer

Biểu thức tổng quát của hàm số truyền công suất có dạng:

Độ suy hao được tính bởi: A(db)= 10lg(P1/P2)

Trong đó:

P0 : công suất ở đầu sợi (z = 0)

P(z): công suất ở cự ly z tính từ đầu sợi

P1 = P0 : công suất đưa vào đầu sợi

P2 = P(L) : công suất ở cuối sợi

Hệ số suy hao trung bình:

α(db/Km)= A(db)/L(Km)

Trong đó:

A: suy hao của sợi

L: chiều dài sợi

Nguyên nhân gây ra suy hao sợi quang:

Suy hao do hấp thụ

* Hấp thụ ngoài: Do sự có mặt của các ion tạp chất

* Hấp thụ thuần: Do hấp thụ của thuỷ tinh tạo nên sợi

Suy hao do tán xạ gồm 2 loại

* Tán xạ do mặt phân cách giữa lõi và lớp vỏ bọc không hoàn

hảo

* Tán xạ Raylegh: Xuất hiện do ảnh hưởng của những chỗ

không đồng nhất còn xót lại trong giai đoạn làm nguội sợi hay những chỗ hàn nối sợi quang không chuẩn

Suy hao do sợi bị uốn cong gồm có 2 loại là uốn cong vi mô và uốn cong vĩ mô

* Uốn cong vĩ mô: Là uốn công có bán kính uốn cong lớn

tương đương hoặc lớn hơn đường kính sợi

* Uốn cong vi mô: Là sợi bị uốn cong nhỏ một cách ngẫu

nhiên

Một số suy hao khác

* Suy hao do sự không hoàn hảo cấu trúc sợi quang

* Suy hao do hàn nối

* Suy hao trong môi trường hidrogen và chiếu xạ gamma

3.2.Tán sắc (Dispersion)

Khi truyền dẫn các tín hiệu Digital quang, xuất hiện hiện tượng giãn xung ở đầu thu, thậm chí trong một số trường hợp các xung lân cận đè lên nhau Khi đó không phân biệt được các xung với nhau nữa, gây nên méo tín hiệu khi tái sinh Hiện tượng giãn xung này gọi là hiện tượng tán sắc Đối với tín hiệu Analog thì ảnh

hưởng của tán sắc làm biên độ tín hiệu ở đầu thu giảm nhỏ và có tín hiệu dịch pha

Hậu quả của tán sắc: - Làm hạn chế biên độ rộng băng truyền dẫn

của sợi

-Nếu hai xung liên tục được phát với tần số rất lớn, ở đầu thu bị giãn rộng đè lên nhau dẫn tới thu sai

Các nguyên nhân gây ra tán sắc:

Tán sắc mode (Mode Despersion) nguyên nhân:

- Sợi truyền nhiều mode

- Mỗi mode truyền có vận tốc nhóm khác nhau (mỗi

mode có hằng số lan truyền khác nhau)

 Lệch thời gian truyền gây ra tán sắc mode

Tán sắc vật liệu nguyên nhân:

-Chiết suất thuỷ tinh thay đổi theo bước sóng nên vận tốc truyền sóng của ánh sáng có bước sóng khác nhau cũng khác nhau

-Ánh sáng truyền trong sợi quang không đơn sắc mà có

độ rộng phổ xác định

- Tộc độ lan truyền của các thành phần phổ là khác nhau (do chiết suất là hàm của b ớc sóng)

 Các thành phần phổ có thời gian truyền lệch nhau gây ra tán sắc vật liệu

Tán sắc do tác dụng của ống dẫn sóng nguyên nhân:

- Sự phân bố năng lượng ánh sáng trong sợi quang phụ thuộc vào bước sóng

- Ánh sáng truyền trong sợi quang không đơn sắc mà có

Tán sắc bậc cao nguyên nhân:

-Do D  0 trong dải b ớc sóng nằm trong phổ

Tán sắc mode phân cực nguyên nhân:

- Sợi đơn mode có hai mode phân cực trực giao

- Do sợi thực tế không hoàn hảo nên mỗi mode có chỉ số mode khác nhau (birefringence)

Độ tán sắc của một vài loại sợi đặc biệt:

Khi thay đổi tán sắc ống dẫn sóng DW dẫn tới D thay đổi => hình thành nên các sợi quang mới như:

- Sợi tán sắc phẳng

- Sợi dịch tán sắc

-Sợi bù tán sắc

III Phân loại sợi quang

 Phân loại sợi theo chỉ số chiết suất

-Sợi có chỉ số chiết suất phân bậc

-Sợi có chỉ số chiết suất Gradien

Phân loại theo mode truyền dẫn

-Sợi đơn mode

-Sợi đa mode

 Phân loại theo cấu trúc vật liệu

-Sợi thuỷ tinh

-Sợi chất dẻo

-Sợi thuỷ tinh đa thành phần

Phân loại dựa theo các chức năng đặc biệt-Sợi lỗ không khí

-Sợi duy trì phân cực

1 Sợi có chiết suất nhảy bậc(SI) và sợi có chiết suất biến đổi đều (GI)

1.1 Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (sợi SI: Step- Index):

Đây là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và lớp vỏ 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 các đường khác nhau

Hình 2.4: Sợi SI

Hình 5: Sợi SI

- Số lượng mode truyền M  V2/2 trong đó V = 2.a.NA/

- Tán sắc mode trong sợi SI là lớn => ảnh hưởng tới việc mang dung lượng thông tin của sợi

1.2.Sợi quang có chiết suất giảm dần (sợi 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 6: Sợi GI

-Sợi truyền nhiều mode hoặc và cũng có 2 loại tia: tia kinh tuyến

và tia nghiêng hoặc tia xoắn

-Quỹ đạo các tia lan truyền có dạng đường cong hình sin do bị đổi hướng liên tục khi truyền trong sợi

-Đường truyền của các tia sang trong sợi GI không bằng nhau nên vận tốc truyền cũng thay đổi theo

2 Sợi đa mode và đơn mode

2.1.Sợi đa mode (MM: Multi Mode)

Sợi có thể truyền được nhiều mode (coi mỗi mode là một tia sáng ứng với một góc lan truyền cho phép)

Các thông số của sợi đa mode thông dụng (50/125mm) là:

- Đường kính lõi: d = 2a = 50mm

-Đường kính lớp bọc: D = 2b = 125mm

-Độ chênh lệch chiết suất: = 0,01 = 1%

- Chiết suất lớn nhất của lõi: n1 =1,46

2.2.Sợi đơn mode ( SM: SingleMode)

Trong sợi chỉ truyền một mode sóng nên độ tán sắc do nhiều

đường truyền bằng không và sợi đơn mode có dạng phân bố chiết suất nhảy bậc

Các thông số của sợi đơn mode thông dụng là:

2 1

Đặc điểm của sợi đơn mode:

- Mặt cắt chiết suất thường có dạng SI

- Kích thước sợi bé, độ lệch chiết suất nhỏ

- Sợi chỉ truyền một mode

IV Các phương pháp chế tạo sợi quang

4.1.Vật liệu chế tạo sợi

Trong quá trình chọn vật liệu sợi quang cần phải thoả mãn yêu cầu sau:

- Vật liệu phải đảm bảo tạo được các sợi dẫn quang dài, mảnh và mềm dẻo

- Vật liệu phải đảm bảo trong suốt tại các bước sóng hoạt động thông dụng, tạo cho sợi truyền tín hiệu tốt, ít bị suy hao và méo

- Các vật liệu chế tạo ra lõi và vỏ sợi phải có bản chất vật lý tương thích

để tạo ra sự chênh lệch về chỉ số chiết suất giữa lõi và và khá nhỏ

Vật liệu thích ứng và dùng nhiều nhất là thuy tinh và chất dẻo trong suốt

4.2.Các phương pháp chế tạo sợi quang

4.3.1.Phương pháp nồi nấu đôi (Double Orucible)

Hình 9 Phương pháp nấu nồi đôi

Dùng phương pháp này để chế tạo ra sợi chứ không để chế phôi

4.3.3Phương pháp đọng hơi hóa chất: (chemical vapour deposition- CVD)

Sơ đồ của phương pháp này cho trên hình :

Hình 10 Phương pháp đọng hơi hoá chất

Khi chế tạo để thay đổi chiết suất người ta phải sử dụng thêm chất phụ gia như GeO2, P2O5, B, F, trong đó GeO2 và P2O5 làm tăng chiết

suất.Nguyên liệu sử dụng là một ống thạch anh thuần khiết

4.3.3.1.Phương pháp đọng hơi hóa chất nhờ Plasma (Plasma chemical vapour Deposition- PCVD)

Khái quát về phương pháp này như hình vẽ:

Hình 11: Phương pháp PCVD tạo phôi

4.4 Hàn nối sợi quang

4.4.1.Các ph ương pháp hàn nối sợi quang ng pháp hàn n i s i quang ối sợi quang ợi quang

Để hàn nối hai sợi quang với nhau người ta nghiên cứu phương pháp sau:

- Dùng bộ nối tháo rời được và không tháo rời được

- Hàn nối bằng sợi keo dính và bằng hồ quang điện

1- Dùng hoá chất để tách và tẩy sạch lớp vỏ bảo vệ hai đầu sợi cầu

nối

2- Kẹp hai đầu sợi lên bộ gá

3- Điều chỉnh cho hai sợi lại gần nhau, khoảng cách giữa chúng

khoảng 10% đường kính sợi quang Có thể cho tia hồ quang làm sạch từng đầu sợi riêng rẽ trước khi cho chũng lại gần nhau.(hình b)

4- Đóng mạch tia lửa điện, hai đầu sợi nóng chảy và sau vài giây dính chặt vào nhau Quá trình sảy ra tự động, thời gian tính toán là phù hợp với sợi và kích thước của sợi (hình c)

5- Kiểm tra mối nối (mối nối tốt như một sợi bình thường tại chỗ nối), nếu có khuyết tật thì phải hàn lại Một nối hàn tốt nếu nhìn thấy đềuđặn như một đoạn sợi bình thường.(hình d)

6- Gia cố cơ học để bảo vệ mối nối Một phương pháp hay dùng hiện nay là dùng một ống bọc nhựa co nóng, có đệm đoạn vật liệu gia cường (hình e)

2.9.3.Bảo vệ mối nối

Khi nối các sợi quang đã được tách ra, không còn các lớp bảo vệ của

vỏ cáp vì vậy người ta dùng các hộp bảo vệ chỗ nối Có nhiều loại hộp bảo vệ, có loại để trong nhà, có loại để ngoài trời, có loại chôn trực tiếp, tuỳ theo điều kiện môi trường và mục đích sử dụng ta chọn cho thích hợp

Hình 13 ống mang sông bảo vệ mối nối

PHẦN 2 : ỨNG DỤNG CỦA SỢI QUANG

1 Những ứng dụng của sợi quang:

Ở nước ta thông tin sợi quang đang ngày cành chiếm vị trí quan

trọng, các tuyến cáp quang được hình thành, đặc biệt là tuyến cáp

quang Hà Nội – Hồ Chí Minh chiếm một vị trí quan trọng trong thông tin toàn quốc

Trong tương lai mạng cáp quang sẽ được xây dựng rộng khắp Tuyến đường trục cáp quang sẽ được rẽ nhánh tới các tỉnh, huyện, và xây dựng tuyến cáp quang nội hạt

* Vị trí của sợi quang trong mạng thông tin giai đoạn hiện nay:

•Mạng đường trục xuyên quốc gia

•Mạng riêng của các công ty đường sắt, điện lực

•Đường trung kế

•Đường cáp thả biển liên quốc gia

•Đường truyền số liệu, mạng LAN

•Mạng truyền hình

2 Ưu điểm của thông tin sợi quang

So với dây kim loại sợi quang có nhiều ưu điểm đáng chú ý là:

•Suy hao thấp: cho phép kéo dài khoảng cách tiếp vận do đó giảm được

số trạm tiếp vận

•Dải thông rất rộng: có thể thiết lập hệ thống truyền dẫn số tốc độ cao

•Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ

•Hoàn toàn cách điện không chịu ảnh hưởng của sấm sét

•Không bị can nhiễu bởi trường điện từ

•Xuyên âm giữ các sợi dây không đáng kể

•Vật liệu chế tạo có rất nhiều trong thiên nhiên

•Dùng hệ thống thông tin sợi quang kinh tế hơn so với sợi kim loại cùng dung lượng và cự ly

•Suy giảm tín hiệu ít : Tín hiệu bị mất trong cáp quang ít hơn trong cáp đồng.

•Tín hiệu ánh sáng : Không giống tín hiệu điện trong cáp đồng, tín hiệu ánh sáng từ sợi quang không bị nhiễu với những sợi khác trong cùng

cáp Điều này làm cho chất lượng tín hiệu tốt hơn

•Sử dụng điện nguồn ít hơn : Bởi vì tín hiệu trong cáp quang giảm ít,

máy phát có thể sử dụng nguồn thấp hơn thay vì máy phát với điện thế cao được dùng trong cáp đồng

•Tín hiệu số : Cáp quang lý tưởng thích hợp để tải thông tin dạng số mà đặc biệt hữu dụng trong mạng máy tính

•Không cháy : Vì không có điện xuyên qua Cáp quang, vì vậy không có nguy cơ hỏa hạn xảy ra.