đồ án kỹ thuật điện điện tử Các thông số và cấu trúc của cáp sợi quang va Các linh kiện biến đổi quang điện

Độ rộng băng : cỏp sợi quang cú thể truyền tải tớn hiệu cú tần số cao hơn rất nhiều so với cỏp đồng trục, mức độ khỏc nhau tuỳ thuộc vào sợi cỏp quang Suy hao dB/km Tần số MHz Sợi quang

Hiện nay, trong cuộc sống hàng ngày thông tin liên lạc đóng vai trò rất quan trọng không thể thiếu được, nó quyết định nhiều mặt hoạt động của xã hội, giúp con người nắm bắt nhanh chóng các giá trị văn hoá, kinh tế, khoa học kĩ thuật rất đa dạng và phong phó.

Trong lĩnh vực viễn thông nhờ các thành tựu của công nghệ bán dẫn điện tử, công nghệ thông tin, những phát minh quang học, vi ba sè … đã tạo nên bước nhảy vọt rất kỳ diệu Dựa trên những thành quả đó, kĩ thuật thông tin quang ra đời và phát triển rất nhanh chóng

Thông tin quang với nhiều công nghệ khác nhau đã được phát triển, đáp ứng nhu cầu thông tin ngày càng tăng cả về số lượng và chất lượng, tạo nhiều thuận lợi trong miền thời gian cũng như không gian, chắc chắn trong tương lai thông tin quang sẽ hoàn thiện nhiều hơn nữa để thoả mãn nhu cầu thông tin tự nhiên của con người

Mục tiêu của bản báo cáo này là nghiên cứu những nguyên lý cơ bản

về thông tin quang Báo cáo được bố cục theo nội dung sau:

Chương I : Cơ bản về hệ thống thông tin quangChương II : Lý thuyết chung về sợi dẫn quangChương III : Các thông số và cấu trúc của cáp sợi quangChương IV : Các linh kiện biến đổi quang điện

Xin chân thành cảm ơn Tiến Sĩ Nguyễn Vũ Sơn, các thầy cô giáo đã dạy dỗ trong suốt quá trình học tập và giúp đỡ em hoàn thành bản báo cáo này tuy nhiên do thời gian, tài liệu cũng như khả năng còn hạn chế, bản báo cáo này không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong sự thông cảm, đóng góp

ý kiến của các thầy cô và các bạn

Hà Nội, ngày 30 tháng 4 năm 2006Sinh viên thực hiện : Trần Quốc HoànChương I : HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG

I Quá trình phát triển của các hệ thống thông tin quang.

LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) là một trong những phát minh lớn nhất thế kỷ XX Trên cơ sở lý thuyết bức xạ kích thích của Einstein và quan sát bằng thực nghiệm bức xạ kích thích của Fabricant (GS trường đại học năng lượng Matxcova_1940), Townes_nhà vật

lý Mỹ đã phát minh ra máy khuyếch đại sóng điện từ bằng bức xạ kích thích Tháng 2/1960, Maiman chế tạo ra laser Rubi-Laser đầu tiên trên thế giới Tháng 6/1960, Javan chế tạo ra laser khí He_Ne Từ đó đã dấy lên một cao trào nghiên cứu chế tạo và ứng dụng laser Đến nay, laser đã được chế tạo và ứng dụng rộng rãi trong hầu khắp cácc nghành khoa học công nghệ và y tế Nhưng ứng dụng quan trọng nhất là thông tin cáp sợi quang

Về lý thuyết, nguồn laser có khả năng truyền dẫn băng rộng cực lớn (10 triệu kênh TV) nên trong đầu năm 1960, người ta đã thực hiện một số các thí nghiệm sử dụng các kênh ánh sáng không khí (HTTTQ khí quyển) để truyền tín hiệu Kết quả thu được khá khả thi tuy nhiên các hệ thống thông tin khí quyển có nhược điểm là chi phí rất cao cộng với môi trường không khí không ổn định do chịu nhiều tác động của mưa, sương mù, tuyết,

Đồng thời với các thực nghiệm trên là những nghiên cứu đối với sợi quang vì chúng có thể tạo ra những kênh thông tin tin cậy và linh hoạt hơn kênh không khí :

+ Ban đầu suy hao là vô cùng lớn (trên 1000dB/km)

+ 1966 : Kao Hockman và Wertst phán đoán những giá trị suy hao lớn này là do độ không tinh khiết của nguyên liệu sợi quang

+ 1970 Kapron Keck và Maurer chế tạo ra sợi Silic có suy hao 20dB/km Tại giá trị này, khoảng cách bộ lặp của các tuyến sợi quang có thể sánh với hệ thống cáp đồng Do đó đã đưa công nghệ sóng ánh sáng vào thực tế kỹ thuật

+ Hai thập kỷ tiếp theo đã nghiên cứu và chế tạo ra được loại sợi có suy hao 0,16dB/km tại bước sóng λ = 1550nm (giá trị lý thuyết là 0,14dB/km)

Những ứng dụng đầu tiên của hệ thống thông tin sợi quang chủ yếu là các đường trung kế Các tuyến số này gồm các kênh thoại 64Kbp được ghép TDM theo các chuẩn PDH của Châu Âu, Bắc Mỹ và Nhật Từ những năm

90 trở lại đây, các tuyến sợi quang theo tiêu chuẩn SDH đã dần thay thế các tuyến PDH trên phạm vi rộng khắp Ngoài ra sợi quang còn được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau trong mạng nội hạt, ISDN với nhiều loại sợi (đa mode và đơn mode) ở nhiều bước sóng (850,1310,1550nm) trên nhiều khoảng cách (500m → n x 10km → n x 1000km) trong nhiều tuyến (cáp chôn, cáp treo, cáp quang biển)

Hệ thống 5Gbps, 233km với

5 bộ KĐ quang

(2)

Trong tương lai, các hệ thống này còn sử dụng các mạng toàn quang bao gồm các thành phần chuyển mạch, bộ lặp, khối truy nhập mạng trên cơ sở công nghệ quang Ngoài ra truyền dẫn soliton đang được nghiên cứu và phát triển.

II Mô hình hệ thống.

Cấu trúc điển hình của một tuyến thông tin sợi quang được mô tả trên hình 2 Các phần tử chính bao gồm : nguồn sáng, sợi quang và bộ tách sóng quang (đi kèm là các mạch điều khiển, khuyếch đại, khôi phục tín hiệu) Các phần tử phụ bao gồm : Bộ lặp (đầu cuối và đường dây) và các bộ tách ghép (add/drop) Nói chung, tín hiệu điện (phát ra từ điện thoại, đầu cuối số liệu, máy Fax, ) được biến đổi thành tín hiệu quang thông qua bộ biến đổi điện/quang (E/O) Khi đó, các mức tín hiệu được biến đổi thành tín hiệu quang tương ứng, mức “0 và 1” của tín hiệu điện được biến đổi thành tắt/bật của án sáng và đưa tín hiệu này vào sợi quang Các tín hiệu truyền lan trong sợi quang tới đầu thu, tại đây tín hiệu sẽ được biến đổi quang/điện (O/E), khôi phục lại tín hiệu ở phía phát

+ Bé E/O chính là các linh kiện phát sáng nh LED, LD

+ Bé O/E chính là các linh kiện thu ánh sáng nh phôtdiode

Bộ lặp

Thu quang phôc tÝn Kh«i

hiÖu

Sợi quang

H×nh 2 : CÊu tróc ®iÓn h×nh cña tuyÕn th«ng tin sîi quang

+ Bộ lặp : biến đổi, tỏi tạo tớn hiệu nhằm bự đắp sự suy hao trong quỏ trỡnh truyền dẫn

+ Bộ tỏch/ghộp : tỏch/ghộp tớn hiờu đưa tới từ thiết bị khỏc

III Đặc điểm thụng tin quang.

Hệ thống thụng tin quang cú một số ưu điểm so với cỏc hệ thống sử dụng cỏp đồng cổ điển do sử dụng cỏc đặc tớnh của sợi quang, linh kiện thu quang, phỏt quang

1) Đặc điểm chủ yếu của sợi cỏp quang.

a/ Suy hao thấp : suy hao của cỏp quang thấp hơn so với cỏp song

hành kim loại hoặc cỏp đồng trục

b/ Độ rộng băng : cỏp sợi quang cú thể truyền tải tớn hiệu cú tần số

cao hơn rất nhiều so với cỏp đồng trục, mức độ khỏc nhau tuỳ thuộc vào sợi cỏp quang

Suy hao

dB/km

Tần số (MHz) Sợi quang đơn mode (10/125μm)

Sợi quang đa mode chiết suất biến đổi (50/125μm)

Cáp song hành

(0,65 mmΦ)

Cáp kim loại Cáp đồng trục (2,695mmΦ)

Cáp sợi quang (bước sóng 1,3μm)

Sợi quang đa mode chiết suất bậc

Hình 3: Các đặc tính truyền dẫn của cáp quang và cáp kim loại

c/ Đường kính sợi nhỏ, trọng lượng nhẹ : cáp sợi quang nhỏ về kích

thước, nhẹ về trọng lượng so với cáp đồng Một sợi cáp quang có cùng đường kính với cáp kim loại có thể chứa một số lượng lớn lõi sợi quang hơn

số lượng lõi kim loại cùng cỡ Các đặc điểm này của sợi có ưu điểm rất lớn khi lắp đặt cáp

d/ Đặc tính cách điện : bởi vì thuỷ tinh không dẫn điện, do vậy cáp

sợi quang không chịu ảnh hưởng của điện từ trường bên ngoài (cáp diện cao thế, sóng vô tuyến và truyền hình) đặc tính này có một số ưu thế rất lớn trong một số các ứng dụng cụ thể Như vậy không cần thiết phải tách cáp thông tin ra khỏi các thiết bị gây ra cảm ứng điện từ trường, bảo vệ an toàn cho công nhân cũng như ổn định chất lượng thông tin

e/ Tiết kiệm tài nguyên : thạch anh là nguyên liệu chính để sản xuất

sợi quang So với cáp kim loại, nguồn nguyên liệu này dồi dào hơn.Hơn nữa, một số lượng nhỏ nguyên liệu có thể sản xuất được một đoạn cáp quang dài

2) Ưu điểm của các linh kiện thu phát quang.

+ Có khả năng điều chế tốc độ cao nên sử dụng trong truyền dẫn tín hiệu tốc độ cao và băng rộng

+ Kích thước nhỏ, hiệu suất biến đổi quang - điện cao

+ Cho phép suy hao giữa máy phát và máy thu lớn vì các linh kiện có khả năng phát xạ công suất quang lớn và độ nhạy máy thu cao vẫn đảm bảo chất lượng truyền dẫn

Trong hệ thống thông tin quang, khoảng cách giữa các trạm lặp có thể lên tới vài chục kilomet do sự kết hợp giữa các đặc điểm suy hao thấp, băng rộng , linh kiện phát quang có công suất cao, độ nhạy linh kiện thu cao Số lượng trạm lặp đường dây giảm đi đáng kể so với số lượng trạm lặp cáp kim loại cổ điển, một vài tuyến điện thoại có thể liên lạc với nhau trực tiếp không

thông qua bất cứ trạm lặp nào Hệ thống thông tin sợi quang thực tế rất kinh

tế, độ tin cậy cao đồng thời dễ dàng lắp đặt và bảo dưỡng

Hơn nữa, truyền dẫn ghép kênh dung lượng lớn cho phép thực hiện các dịch vụ truyền video đang có nhu cầu phát triển lớn Điều này sẽ làm cho giá thành dịch vụ giảm thấp

Chương II : LÝ THUYẾT CHUNG VỀ SỢI DẪN QUANG

I Cơ sở quang học.

Trong hệ thống thông tin quang, thông tin được truyền tải bằng ánh sáng Chúng ta sẽ nghiên cứu tới các đặc tính của ánh sáng vì rất cần thiết để hiểu được sự lan truyền của ánh sáng trong sợi quang và nguyên lý của dao động laser

1) Phổ sóng điện từ.

Các bức xạ điện từ nói chung có cùng bản chất tự nhiên và có thể xem

nh sóng hạt tính chất sóng hạt nổi bật trong từng vùng Người ta phân chia các vùng của sóng điện từ theo các thông số nh sau:

+ Tần số : kí hiệu : f, đơn vị : Hz

+ Bước sóng : kí hiệu : λ, đơn vị : m

+ Năng lượng photon : kí hiệu : E, đơn vị : ev

Các thông số trên sử dụng rộng rãi trong từng vùng và chúng có thể chuyển đổi theo các công thức sau :

C = λ.f

E = hf

Một đặc điểm quan trọng khác của ánh sáng là : vận tốc lan truyền thay đổi theo chiết suất của môi trường mà ánh sáng lan truyền qua Vận tốc ánh sáng trong khong khí là c = 300.000 km/s (chính xác là 2,9979 x 108 m/s với vận tốc này ánh sáng có thể đi 7,5 vùng quanh trái đất trong thời gian một giây) Trong môi trường có chiết suất khóc xạ lớn thì vận tốc ánh sáng

là vas = c/n , trong môi trường không khí thì chiết suất khóc xạ bằng 1

a/ Định luật phản xạ và khúc xạ ánh sáng.

Các định luật về ba đặc tính cơ bản của ánh sáng có thể giải thích bằng hiện tượng thực tế về vận tốc ánh sáng và một nguyên lý truyền ánh sáng theo đường thẳng có thời gian ngắn nhất khi so sánh với rất nhiều đường truyền khác nối giữa hai điểm (nguyên lý này gọi là nguyên lý Fecma)

+ Phản xạ

Xét tia sáng AO đi tới mặt gương (hình 4)

Tại O, tia sáng bị phản xạ, tia phản xạ OB

Φ1

Xét tia sáng đi từ môi trường có chiết suất

n1 tới môi trường có chiết suất n2 (hình 5)

Ta có định luật Snell :

n1 sinΦ1 = n2 sinΦ2

Hai công thức trên chính là định luật phản xạ và khúc xạ ánh sáng

b/ Hiện tượng phản xạ toàn phần.

Xét tia sáng đi từ môi trường có chiết suất n1 tới môi trường có chiết suất n2 < n1 (hình 6)

Khi đã, nếu ta tăng dần góc tới Φ1 thì góc khúc xạ sẽ tiến dần tới 900

Φ1 → Φc thì Φ2 = 900

Φc : được gọi là góc tới hạn

Tất cả các tia sáng có góc tới Φ1 > Φc thì các tia sáng sẽ không đi được vào môi trường chiết suất n2 nữa mà bị phản xạ tại mặt phân cách → hiện tượng phản xạ toàn phần

áp dụng định luật Snell ta có : sinΦc =

1

2

n n

Sự lan truyền của ánh sáng trong sợi quang dựa trên hiện tượng phản

Chiết suất môi trường trong suốt được xác định bởi tỷ số của vận tốc ánh sáng trong chân không và vận tốc ánh sáng trong môi trường Êy.

n = c/vTrong đó n : là chiết suất của môi trường có đơn vị

c : là vận tốc ánh sáng trong chân không (m/s)

v : là vận tốc ánh sáng trong môi trường (m/s)

II Sự truyền ánh sáng trong sợi quang.

1) Nguyên lý truyền dẫn chung.

Trong hệ thống thông tin quang sợi, ánh sáng được truyền theo suốt sợi quang giới hạn trong lõi vì có hiện tượng phản xạ toàn phần

H×nh 7 : ¸nh s¸ng truyền dẫn bị giới hạn trong lâi sợi

Vỏ ( n 2 )

Vỏ ( n 2 ) Lâi (n 1 > n 2 )

(1) (2)

+ Lõi sợi quang : n1

2 1

2 1

2 1

+ Sợi SI ta có : sinΦmax = 2

Trong đã : + no là chiết suất lớn nhất của lõi sợi quang

+ a là bán kính lõi sợi quang+ r là khoảng cách giữa trục sợi quang và điểm đưa tia sáng vào sợi

NA của sợi GI thay đổi theo r Nói cách khác nó phụ thuộc vào độ chênh lệch của chiết suất vỏ sợi và chiết suất nội bộ (hàm số theo bán kính ) lõi sợi

III Các dạng phân bố chiết suất trong sợi quang.

Cấu tróc chung của sợi quang gồm một lõi bằng thuỷ tinh có chiết suất lớn và một lớp bọc cũng bằng thuỷ tinh nhưng có chiết suất nhỏ hơn Chiết suất của lớp bọc không 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 theo bán kính được viết dưới dạng tổng quát nh sau :

n(r) = n1

g a

2 1

1) Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (sợi SI_Step-Index).

+ Chiết suất nhảy bậc là loại sợi có cấu tạo đơn giản nhất với chiết suất của lõi và lớp bọc khác nhau một cách rõ rệt nh 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.

+ Nhược điểm của dạng chiết suất này : với các tia sáng có góc tới khác nhau sẽ được truyền với thời gian khác nhau trên cùng một cự ly Khi cho mét tia sáng hẹp đi vào sợi quang sẽ nhận được một tia sáng rộng hơn ở đầu bên kia gọi là hiện tượng tán sắc

2) Sợi quang có chiết suất giảm dần (sợi GI_Graded-Index).

+ Sợi GI có chiết suất hình parabol

+ Đường truyền trong sợi GI cũng không bằng nhau nhưng do cấu tạo của sợi nên vận tốc truyền cũng thay đổi theo Vì vậy độ tán sắc của sợi GI nhỏ hơn nhiều so với sợi SI

H×nh 10: truyÒn ¸nh s¸ng trong sîi quang cã chiÕt suÊt gi¶m dÇn

GI_MMSI_MM

3) Các dạng chiết suất khác.

Hai dạng chiết suất SI và GI được dùng phổ biến, ngoài ra còn có một

số dạng chiết suất khác nhằm đáp ứng các yêu cầu đặc biịet như :

a/ Dạng giảm chiết suất lớp bọc.

Trong kỹ thuật chế tạo sợi quang, muốn thuỷ tinh có chiết suất lớn phải thêm nhiều tạp chất vào, điều này làm tăng suy hao Dạng giảm chiết suất lớp bọc nhằm bảo đảm độ lệch chiết suất nhưng có chiết suất lõi n1

không cao

b/ Dạng dịch độ tán sắc.

Độ tán sắc tổng cộng của sợi quang triệt tiêu ở bước sóng gần 1300nm Người ta có thể dịch điểm có độ tán sắc triệt tiêu đến bước sóng 1550nm

c/ Dạng san bằng tán sắc.

Với mục đích làm giảm độ tán sắc của sợi quang trong một khoảng bước sóng Dạng chiết suất này khá phức tạp nên hiện nay chỉ áp dụng trong thí nghiệm, chưa đưa ra thực tế

IV Sợi đơn mode và sợi đa mode.

Có hai hướng để khảo sát sự truyền ánh sáng trong sợi quang Một hướng dùng lý thuyết tia sáng và một hướng dùng lý thuyết sóng ánh sáng Thông thường lý thuyết tia được áp dụng vì nó đơn giản, dễ hình dung Song cũng có những khái niệm không thể dùng lý thuyết tia để diễn tả một cách chính xác, người ta phải dùng đến lý thuyết sóng Mode sóng là một trong những khái niệm đó; số mode truyền được trong sợi quang phụ thuộc vào các thông số kỹ thuật của sợi

1) Sợi đa mode (MM_Multi-Mode).

Sợi đa mode có đường kính lõi và khẩu độ số lớn nên thừa số V và số mode N cũng lớn

SVTH : Trần Quốc Hoàn 14

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

+ Đường kính lõi : d = 2.a = 50àm+ Đường kính lớp bọc : D = 2.b = 125àm+ Độ lệch chiết suất : Δ = 0,01 = 1%

+ Chiết suất lõi n1 = 1,46Sợi đa mode có thể có chiết suất nhảy bậc hoặc giảm dần

2) Sợi đơn mode (SM_Single-Mode).

Khi giảm kích thước lõi sợi để chỉ có một mode sóng cơ bản truyền được trong sợi gọi là sợi đơn mode Trên lý thuyết, sợi làm việc ở chế độ đơn mode khi :

- Sợi SI có V ≤ 2,405

- Sợi GI có V ≤ 3,518

Sợi SM_GI hầu nh không sử dụng trong thực tế

Vì chỉ có một mode truyền sóng trong sợi 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 :

+ Đường kính lõi sợi : d = 2.a = 9 ữ 10àm+ Đường kính lớp bọc : D = 2.b = 125àm+ Độ lệch chiết suất Δ = 0,003 = 0,3%

+ Chiết suất lõi sợi : n1 = 1,46

So sánh những nét nổi bật của hai loại sợi này Độ tán sắc của sợi đơn mode nhỏ hơn nhiều so với sợi đa mode (kể cả loại sơi GI), đặc biệt ở bước sóng λ = 1300nm độ tán sắc của sợi đơn mode rất thấp ( ≈ 0 ) Do đó dải thông của sợi đơn mode rất rộng Song vì kích thước lõi của sợi đơn mode

quá nhỏ nên đòi hỏi kích thước của linh kiện quang cũng phải tương đương

và các thiết bị hàn nối sợi đơn mode phải có độ chính xác rất cao Các yêu cầu này ngày nay đều có thể đáp ứng và do đó sợi đơn mode đang được dùng phổ biến

Chương III : CÁC THÔNG SỐ VÀ CẤU TRÚC CỦA SỢI QUANG

I Suy hao của sợi quang.

1) Định nghĩa.

+ Suy hao tín hiệu trong sợi quang là một trong các đặc tính quan

trọng nhất vì nó quyết định khoảng cách lặp tối đa giữa máy phát và máy thu Do đã ảnh hưởng lớn đến giá thành hệ thống

+ Định nghĩa : đại lượng suy hao trong sợi quang

1

2

lg 10

P1 là công suất quang đầu vào của sợi có độ dài L

P2 là công suất quang đầu ra của sợi có độ dài L

2) Các nguyên nhân gây suy hao trên sợi quang.

Là do sự hấp thụ của vật liệu làm sợi, sự tán xạ quang và khúc xạ quang chỗ sợi bi uốn cong

a/ Suy hao hấp thụ.

+ Nguyên nhân :

- Do bản thân sợi quang : suy hao thuần tuý do bản thân sợi quang bao gồm suy hao hấp thụ cực tím và suy hao hấp thụ hồng ngoại Đỉnh hấp

SVTH : Trần Quốc Hoàn 16

thụ của hai suy hao này lần lượt tại 1µm và 10µm (suy hao lớn nhất) Các loại suy hao này giảm rất nhanh tại các bước sóng không phải là bước sóng hấp thụ đỉnh Suy hao này đạt giá trị nhỏ nhất trong dải λ = 1,0µm - 1,6µm

- Do có tạp chất trong thuỷ tinh làm sợi quang : trong những giai đoạn đầu phát triển sợi quang, những tạp chất gây nên suy hao là các ion kim loại như ion sắt, đồng, crom Tuy nhiên hiện nay chủ yếu là ion hydroxyl (OH-) gây ra suy hao Các tạp chất này gây ra suy hao từ 1 - 10 dB/km Các sợi quang có mức OH- cao gây ra các đỉnh hấp thụ tại λ = 1400, 950, 725nm

b/ Suy hao tán xạ Rayleigh.

+ Tán xạ Rayleigh là hiện tượng ánh sáng bị tán xạ theo các hướng khác nhau khi nã gặp phải một vật nhỏ có kích thước không quá lớn so với bước sóng ánh sáng

+ Mật độ vật liệu không đồng đều trong sợi quang dẫn đến sự không đồng đều về chiết suất khóc xạ là nguyên nhân gây nên tán xạ Rayleigh trong sợi quang

+ Độ lớn suy hao do tán xạ Rayleigh tỷ lệ nghịch với λ4 Do đã khi ánh sáng lan truyền với λ lớn thì suy hao trở nên nhỏ

+ Độ lớn suy hao do tán xạ Rayleigh tỷ lệ thuận với nhiệt độ nung nóng sợi khi kéo sợi Do vậy nếu giảm nhiệt độ nung nóng → giảm tán xạ Rayleigh

c/ Suy hao tán xạ do cấu tróc sợi quang không đồng nhất.

+ Các sợi quang thực tế không thể có tiết diện mặt cắt ngang tròn lý tưởng và cấu trúc hình trụ dọc suốt vỏ và lõi sợi

+ Tại bề mặt biên giữa vỏ và lõi sợi đôi chỗ có sự gồ ghề gây nên ánh sáng tán xạ và một vài chỗ phát xạ ánh sáng ra ngoài gây ra suy hao quang

d/ Suy hao cong.

Là các suy hao bức xạ gây nên do sợi quang bị uốn cong Với sợi quang bị uốn cong, các tia sáng có góc tới vượt quá một góc giới hạn nhất định sẽ bị phát xạ ra ngoài vỏ gây ra suy hao Do vậy trong việc thiết kế các

hệ thống thông tin sợi quang phải chó ý đến việc giữ bán kính cong sao cho lớn hơn một giới hạn cho phép xác định

e/ Suy hao vi cong.

Khi sợi quang chịu những lực nén không đồng nhất thì trục của sợi quang bị uốn cong đi một lượng nhỏ (khoảng vài µm), làm tăng suy hao quang → chó ý đến sản xuất cấu tróc sợi để bảo vệ sợi chống lại các áp lực bên ngoài

f/ Suy hao hàn nối.

+ Nếu hai sợi quang được hàn nối với nhau nhưng không được gắn hoàn toàn đồng nhất thì phần ánh sáng đi ra khỏi sợi này sẽ không đi vào sợi kia và bị phát xạ ra ngoài gây nên suy hao quang

+ Nguyên nhân

- Tồn tại khe hở nhỏ giữa hai sợi quang

- Bề mặt chỗ hàn không đồng nhất

- Lõi trục sợi quang lệch nhau

g/ Suy hao ghép nối sợi quang và các linh kiện quang.

+ Điều kiện để ghép ánh sáng từ linh kiện phát quang vào sợi quang được xác định bằng khẩu độ số NA LD và LED có độ rộng chùm sáng khác nhau, khi ghép nối vào sợi quang thì LD có đặc điểm về suy hao tốt hơn (suy

hao Ýt hơn) so với LED (ngay cả khi sử dụng thấu kính để tập chung chùm sáng) Ngoài ra sợi SM và sợi GI cũng có những đặc điểm khác nhau về suy hao ghep nối vì chúng có đường kính lõi khác nhau (dSM < dGI)

+ Ghép nối sợi quang với linh kiện thu quang thì các loại sợi có NA lớn, loại sợi GI có suy hao lớn hơn loại sợi SM vì chùm sáng của loại sợi này bị trải rộng ra Tuy nhiên sự khác nhau về suy hao do nguyên nhân chùm sáng nở rộng thì nhỏ hơn rất nhiều so với suy hao ghép bản thân nó

+ Hệ số phản xạ giữa sợi quang (n1) và không khí (n0)

2

0 1

0 1

−

n n

n n

100%

3) Đặc tuyến suy hao.

Suy hao trong sợi quang là một hàm số của bước sóng λ Sợi quang được sử dụng trong các hệ thống thông tin sợi quang làm việc ở ba vùng bước sóng công tác có suy hao nhỏ nhất Ba vùng này được gọi là ba cửa sổ

quang : thứ nhất, thứ hai và thứ ba có các bước sóng trung tâm tương ứng là 850nm, 1310nm, 1550nm.

II Tán sắc.

Hiện tượng tán sắc : khi truyền dẫn các tín hiệu qua sợi quang sẽ xuất hiện hiện tượng dãn rộng các xung ánh sáng ở đầu thu Trong một số trường hợp, các xung lân cận chồng đè lên nhau khi đó sẽ không nhận biết được các xung với nhau => gây méo tín hiệu

Có hai loại tán sắc : + Tán sắc mode

+ Tán sắc bước sóng (vật liệu và cấu trúc)

2) Các nguyên nhân gây tán sắc.

a/ Tán sắc mode

Trong sợi quang đa mode, tốc độ lan truyền ánh sáng của các mode là khác nhau Khi mét xung ánh sáng được đưa vào sợi quang đa mode thì xung tại đầu ra có độ rộng lớn hơn xung đầu vào

SVTH : Trần Quốc Hoàn 20

Amp

t t

(a)

H×nh 13 : Sù d·n réng xung khi truyÒn qua sîi quang

(a) : chuçi xung ®Çu vµo

Nguyên nhân do xung ánh sáng vào mặc dù chỉ có một bước sóng đơn nhưng lan truyền trong sợi có nhiều mode khác nhau, tốc độ lan truyền khác nhau Do đó ở đầu ra của sợi quang các xung bị giãn rộng ra hơn (so với xung đầu vào) => hiện tượng này gọi là hiện tượng tán sắc mode

Tán sắc mode làm giới hạn độ rộng băng truyền dẫn của sợi đa mode Bởi vậy trong các tuyến thông tin sợi quang có dung lượng lớn đòi hỏi đặc tính băng truyền dẫn rộng thì không dùng sợi đa mode mà chỉ dùng sợi đơn mode vì sợi đó chỉ truyền duy nhất một mode nên loại bỏ được tán sắc mode

Khi chiết suất khúc xạ của lớp vở và lõi sợi quang khác nhau chót Ýt thì hiện tượng phản xạ toàn phần tại bề mặt biên không hoàn toàn giống như trên bề mặt gương mà còn có một phần ánh sáng thẩm thấu qua lớp vỏ Ngoài ra mức độ thẩm thấu này còn biến đổi theo bước sóng Kết quả ánh sáng thay đổi theo bước sóng => hiện tượng tán sắc cấu trúc

Sợi đa mode thì tán mode là chủ yếu, sợi đơn mode không có tán sắc mode Sợi đơn mode thì tán sắc bước sóng là chủ yếu, sợi đa mode là 1 giá trị nhỏ

3) Độ tán sắc tổng cộng.

Độ tán sắc tổng cộng được tính theo công thức :

Dmat_Độ tán sắc chất liệu (Material Dispersion)

4) Độ tán sắc của một vài sợi đặc biệt.

Sợi dịch tán sắc : Vì độ suy hao của bước sóng 1550nm chỉ bằng phân nửa so với suy hao ở bước sóng 1300nm, nên ở tuyến cáp quang đầu đường dài hay sử dụng bước sóng này, nhưng độ tán sắc ở bước sóng 1550nm lại lớn Để giải toả trở ngại này ta làm theo hai cách :

+ Giảm bề rộng phổ của nguồn quang để giảm tán sắc chất liệu :

Dmat = dmat.Δλ+ Dịch điểm có tán sắc bằng 0 đến bước sóng 1550nm (sợi có được tán sắc bằng 0 tại bước sóng 1550nm gọi là sợi tán sắc dịch chuyển

405 , 2

.

n n

π

( Sợi SI )(Sợi SM_GI hầu như không sử dụng trong thực tế)

λc là 1 trong những thông số cơ bản đặc trưng cho các sợi quang đơn mode Trên thực tế bước sóng cắt còn phụ thuộc vào chiều dài sợi và độ uốn cong của sợi quang Sợi quang càng nhỏ thì λc càng nhỏ và ngược lại

IV Đường kính trường mode.

+ Năng lượng của trường mode được phân bố trên tiết diện ngang của sợi quang theo quy luật hàm mũ Sự phân bố tương đối của cường độ trường ( I / Imax ) là một hàm số của bán kính và bước sóng

+ Vì sợi quang đơn mode có đường kính lõi và chênh lệch chiết suất khóc xạ nhỏ, do vậy việc xác định một cách rõ ràng biên của lớp lõi và vỏ theo phương pháp quang rất khó khăn Để thuận tiện chóng ta sử dụng đường kính mode

+ Để đặc trưng cho sợi đơn mode người ta định nghĩa đường kính trường mode được tính gần đóng theo công thức :

dmode = d 2,6 λc

λ

405 , 2

§êng kÝnh trường mode

r/a

I / I max

1 1/e

λ/λ c =1,2

λ/λ c =2,4

a : Đường kÝnh lâi

r : khoảng c¸ch từ t©m lâi e: Hằng số logarit tự nhiªn

H×nh 15 : Đường kÝnh trường mode

+ dmode được tớnh tại mức phõn bố tương đối của cường độ trường là I/Imax = 1/e =0,135 (e = 2,71828)

V Cỏc thành phần của cỏp.

1) Cấu trúc tổng quỏt.

Cấu trỳc của cỏp phải được thoả món yờu cầu chớnh là bảo vệ sợi quang, được chế tạo phự hợp một mục đớch sử dụng của viễn thụng bao gồm: cỏp treo, cỏp chụn trực tiếp, cỏp thả biển, cỏp trong nhà

Mỗi loại cú một vài chi tiết đặc biệt ngoài cầu trỳc chung của cỏp

2) Cỏch sắp xếp.

Sợi quang: Cỏc sợi quang đó được bọc lớp phủ và lớp vỏ sắp xếp theo thứ

tự nhất định Lớp vỏ cú thể ở dạng đệm lỏng, đệm khớt, đệm tổng hợp, băng dẹt

Thành phần chịu lực trung tâm Băng quấn (Plaste)

Sợi quang Lớp đệm mỏng

Hình 16 : Cấu trúc tổng quát của cáp quang

Chất nhồi: làm đầy ruột cáp.

Vỏ cáp để bảo vệ ruột cáp

4) Líp gia cường.

Bảo vệ cáp trong những điều kiện khắc nghiệt

Dựa vào hình thức cấu tạo hoặc lĩnh vực sử dụng để phân biệt loại cáp

Thông dụng nhiều nhất là cáp ngoài trời (gồm cáp treo, cáp chôn trực tiếp, cáp kéo trong ống) có vở PE màu đen, bình thường loại cáp này không cần lớp gia cường, chỉ cần lớp kim loại (thường là nhôm) bao ruột cáp

VI Phân loại cáp quang.

1) Phân loại theo cấu trúc.

Cáp có cấu trúc cổ điển là cáp loại sợi hay các nhóm sợi quang phân

bố đối xứng theo nhóm trong vòng đồng tâm

2) Phân loại theo mục đích sử dụng.

Cáp dùng cho thuê bao nội hạt, cáp trung kế, cáp đường dài

3) Phân loại theo điều kiện lắp đặt

Cáp chôn trực tiếp, cáp đặt trong cống, cáp thả nước, cáp treo, cáp dùng trong nhà

VII.Cấu trúc sợi quang.

Thành phần chính của sợi quang là gồm lõi (Core) và lớp bọc (Cladding) Trong viễn thông dùng loại sợi có hai lớp trên bằng thuỷ tinh Lõi để dẫn ánh sáng và lớp bọc để giữ ánh sáng tập chung trong lõi nhờ sự phản xạ toàn phần giữa lõi và lớp bọc bên ngoài

Để bảo vệ sợi quang, tránh nhiều tác động do điều kiện bên ngoài sợi quang còn được bọc thêm vài lớp nữa

10(50µm)